DE102019124397B4 - Erfassungssystem - Google Patents

Abstract

Auf einem künstlichen Weltraumflugkörper (17) installierbares System (20), das zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten ausgeführt ist, mit einer Erfassungseinrichtung zur Bestimmung einer Größe, einer Anzahl, einer zeitlichen Verteilung und/oder einer Flugrichtung von Weltraumteilchen, wobei die Erfassungseinrichtung mindestens ein folienartiges, bewegbares Sensorteil (1) und mindestens ein Detektorteil (6) umfasst, wobei das folienartige, bewegbare Sensorteil (1) eine Sensorfläche (13) zur Erfassung mindestens einer, durch einen Einschlag (P1, P2) oder Durchschlag (14) eines Weltraumteilchens (15) hervorgerufenen Markierung bildet, wobei das folienartige, bewegbare Sensorteil (1) relativ zum Detektorteil (6) derart bewegbar ausgeführt ist, dass mindestens eine durch den Einschlag (P1, P2) oder Durchschlag (14) erfolgte Markierung auf dem folienartigen, bewegbaren Sensorteil (1) relativ zu dem Detektorteil (6) transportiert wird, wobei das Detektorteil (6) zum Detektieren der durch den Einschlag (P1, P2) oder den Durchschlag (14) hervorgerufenen Markierung auf dem folienartigen, bewegbaren Sensorteil (1) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das folienartige bewegbare Sensorteil (1) eine Sensorfolie (1) ist, die zwischen mindestens zwei voneinander beabstandeten Transportrollen oder Führungsrollen (2, 3) aufgespannt ist, zwischen denen die Sensorfläche (13) angeordnet ist, wobei das folienartige bewegbare Sensorteil (1) eine Sensorfolie (1) ist, die mindestens als ein Endlosband (16, 16a, 16b) ausgeführt ist, wobei jedem Endlosband (16, 16a, 16b) ein Detektorteil (6) zugeordnet ist, wobei jedes Endlosband durch mindestens vier Umlenkrollen (4) so geführt wird, dass zwei parallele, dicht zueinander liegende Sensorflächen (13a, 13b) gebildet werden und wobei ein erstes, einem zulaufenden Weltraumteilchen (15) zugewandtes Endlosband (16a) und ein zweites, in Flugrichtung des Weltraumteilchens (15) gesehen hinter dem ersten Endlosband (16a) angeordnetes und von dem ersten Endlosband (16a) beabstandetes Endlosband (16b) vorhanden ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein auf einem künstlichen Weltraumflugkörper installierbares System, das zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten ausgeführt ist, mit einer Erfassungseinrichtung zur Bestimmung einer Größe, einer Anzahl, einer zeitlichen Verteilung und/oder einer Flugrichtung von Weltraumteilchen. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Systems.
• Seit Beginn der operationellen Raumfahrt mit dem Start des ersten künstlichen Erdsatelliten Sputnik 1 im Oktober 1957 wurden etliche Raketen, Satelliten, Sonden und Raumfähren in die Erdumlaufbahn geschossen. Bei jedem einzelnen Start wird Müll produziert, z.B. durch missionsbedingte Weltraummüll-Objekte, wobei der Müll lange in der Erdumlaufbahn verbleibt. Dieser Weltraummüll gefährdet in allen Erdumlaufbahnen die Raumfahrt. Deshalb ist eine Erfassung mit allen möglichen Methoden notwendig. Am 10. Februar 2009 sind zum ersten Mal, in der Geschichte der Menschheit, zwei Satelliten in der Erdumlaufbahn kollidiert. Bei der Kollision handelte es sich um die beiden Kommunikationssatelliten Iridium 33, sowie den russischen Kosmos 2251, die sich über Sibirien in einer Höhe von 789 km über der Erdoberfläche befanden. Durch den gegenseitigen Aufprall, welcher mit einer Relativgeschwindigkeit von 11,6 km/s (= 41.760 km/h) erfolgte, resultierte ein Trümmerfeld, bestehend aus einer Vielzahl neu erzeugter Weltraum müll-Objekte, die größtenteils auch heute noch als Weltraummüll die Erde umkreisen.
• Teile mit einer Größe geringer als 5 cm können im Low Earth Orbit (LEO) vom Boden aus kaum geortet werden. Kollisionen von Satelliten mit Weltraummüll-Objekten mit einem Durchmesser von mehr als ca. 1 cm Durchmesser führen andererseits in der Regel zu einem vollständigen Verlust der Mission. Die Anzahl der Weltraummüll-Objekte in den Umlaufbahnen nimmt mit abnehmendem Durchmesser exponentiell zu.
• Für eine Vermessung der Weltraummüll-Objekte im Weltraum gibt es unterschiedliche Ansätze. Diese lassen sich in zerstörende und zerstörungsfreie Verfahren einteilen. Zerstörungsfreie Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass eine Fernerkundung des Weltraummüll-Objektes mittels eines Messgerätes (aktive Interaktion) erfolgt. Beispielhaft können hier bodengestützte Radar- und Teleskopanlagen genannt werden, die unter anderem für eine Bahnvermessung der Weltraummüll-Objekte und somit zu Frühwarnungen eingesetzt werden. Mittels bodengestützter Anlagen lassen sich Weltraummüll-Objekte mit einem Durchmesser von ca. 10 cm im LEO und ca. 1 m im geostationären Orbit (GEO) operationell vermessen. Kleinere Weltraummüll-Objekte, z.B. mit 5 cm Durchmesser im LEO oder mit 10 cm Durchmesser im GEO, sind sporadisch detektierbar. Weltraummüll-Objekte mit einem Durchmesser kleiner als 2 cm sind im LEO nicht nachweisbar. Die Erfassung von Weltraummüll mittels bodengestützter Radar- und Teleskopanlagen ist derzeit die meistgenutzte Methode. Radar- und Teleskopanlagen für die Detektion von Weltraummüll können sowohl bodengestützt als auch weltraumgestützt sein.
• Aktuell sind die meisten Geräte für die Detektion von Weltraummüll jedoch bodengestützt.
• Bei zerstörenden Verfahren schlägt ein zu messendes Weltraummüll-Objekt auf das Messgerät „gewollt“ ein. Zerstörende Verfahren fungieren als „In-Situ“-Messinstrumente direkt im Orbit und liefern Messwerte bezüglich kleiner Weltraummüll-Objekte (Durchmesser im Bereich von µm bis cm), die mittels Radar- und Teleskopanlagen nicht erfasst werden können. Beispielhaft kann hier das am DLR-Bremen entwickelte SOLID-System genannt werden, dass die Subsysteme eines Satelliten (Solarpaneele und Lageregelungssystem) nutzt. Eine Zusammenfassung existierender In-Situ-Detektoren kann z.B. der Arbeit „Bauer, Waldemar, Space-Debris-Detektion zur Validierung von Simulations-Modellen, DLR-Forschungsbericht, 2015-08“ entnommen werden.
• Weltraummüll-Objekte mit einem Durchmesser von ca. 1 cm sind für unbenannte Satelliten kritisch, da diese Weltraummüll-Objekte eine Mission im Falle einer Kollision mit hoher Wahrscheinlichkeit beenden. Kleinere Weltraummüll-Objekte im Millimeter-Bereich können eine Mission einschränken. Diese Weltraummüll-Objekte können die Wandung eines Satelliten durchschlagen und verwundbare Komponenten im Inneren eines Satelliten beschädigen. Weltraummüll-Objekte im Bereich µm sind beispielsweise für empfindliche Instrumente (z.B. optische Teleskope) kritisch.
• Die europäische Offenlegungsschrift EP 2 236 422 A1 offenbart eine Erfassungsvorrichtung für einen im Weltraum fliegenden Gegenstand, die ein Erfassungsplattenelement umfasst, das in einer vorbestimmten Anordnungsteilung mehrere leitfähige Erfassungsleitungen auf einer nichtleitfähigen Dünnschicht hält, die in einer Weltraumumgebung freigelegt werden kann. Weiterhin umfasst die Erfassungsvorrichtung eine Erfassungsschaltung, die mit jeder Erfassungsleitung verbunden ist, wobei eine Erfassung des im Weltraum fliegenden Gegenstandes, der mit dem Erfassungsplattenelement zusammengestoßen ist, durch die Erfassungsschaltung ermöglicht wird, wenn eine Erfassungsleitung auf dem Erfassungsplattenelement durch einen Zusammenstoß mit einem im Weltraum fliegenden Gegenstand unterbrochen wird.
• Aus der US-amerikanischen Offenlegungsschrift US 2012 / 0 318 925 A1 und dem europäischen Patent EP 3 345 840 B1 sind weitere Lösungen bekannt, bei der zwei oder mehrere elektrisch leitende Schichten durch einen Isolator getrennt sind, um im Fall eines Durch- oder Einschlags entstehende Spannungsänderungen messen zu können.
• Andere bekannte Verfahren stützen sich auf eine optische Beobachtung der Weltraumteilchen mittels einer CCD- Erfassung, wie in den chinesischen Offenlegungsschriften CN 105 910 583 A , CN 103 675 938 A und CN 101 846 511 A gezeigt ist.
• Ein weiteres gängiges Messverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass Ionen-Detektoren, Laser- und auch akustische Verfahren genutzt werden. Für die Messung mit Ionen-Detektoren wird in der chinesischen Offenlegungsschrift GN CN 107 808 817 A eine Verwendung eines Massenspektrometers vorgeschlagen. Ein anderes aus der chinesischen Offenlegungsschrift CN 107 589 459 A bekanntes lonen-Messverfahren nutzt eine Kapazitätsmessung an einer dreilagigen elektrisch isolierten Metallfolie.
• Allen bekannten Systemen ist gemeinsam, dass sie hohe Kosten verursachen und größtenteils nicht in der Lage sind kleinste Partikel zu erfassen. Heutige Vorhersagen basieren auf Simulations-Modellen, die kaum Messwerte zur Validierung verwenden.
• Auch sind bekannte Systeme nicht in der Lage sowohl eine Größe, eine Anzahl, eine zeitliche Verteilung als auch einer Flugrichtung von Weltraumteilchen zu erfassen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein auf einem künstlichen Weltraumflugkörper installierbares System für die Erfassung von Weltraummüll-Objekten der eingangs genannten Art anzugeben, dass in der Lage ist, eine Größe, eine Anzahl, eine zeitliche Verteilung und eine Flugrichtung von Weltraumteilchen zu erfassen. Weiterhin soll das System in der Lage sein, kleinste Partikel bis in den µm-Bereich hinunter kostengünstig zu erfassen.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Systems ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 5.
• Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten im Weltraum mittels des Systems anzugeben.
• Diese weitere Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren nach Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 7 bis 8.
• Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, eine Folie einzusetzen, die von Weltraumteilchen durchschlagbar ist oder auf der, aufschlagende Weltraumteilchen zumindest eine Markierung in Form einer Verformung oder sonstigen Veränderung hinterlassen. Diese Veränderungen werden von einem Detektorteil, im Prinzip wie von einem Scanner, erfasst und ausgewertet. Durch Verwendung mehrerer paralleler Folien kann sogar eine Flugrichtung von Weltraumteilchen erfasst werden.
• Durch die Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung zur Bestimmung von Größe, Anzahl, zeitlicher Verteilung und Flugrichtung kleiner Weltraumteilchen in einfacher Weise möglich. Weiterhin ist es durch die Erfindung möglich, den als Folge von Raumfahrtaktivitäten entstehenden Weltraummüll zu erfassen, der ein zunehmendes Problem für derzeit im Orbit befindliche und zukünftige geplante Weltraummissionen darstellt.
• Begrifflich sei folgendes erläutert:
• Der Begriff „Weltraummüll“ beschreibt dabei alle nicht mehr aktiv vom Boden aus kontrollierbaren Objekte, die sich als Folge von Start, Betrieb und nicht geplanten Ereignissen im Zusammenhang mit Raumfahrzeugen in einer Erdumlaufbahn befinden.
• Die erfindungsgemäße Detektion hilft bei der Lösung des Problems, das aufgrund ihrer hohen Bahngeschwindigkeit, der großen kinetischen Energie dieser sich unkontrolliert bewegenden Massen und dem damit verbundenen Potenzial für Beschädigungen im Fall einer Kollision mit anderen Objekten, entsteht. Bei diesen, unter dem Begriff „Weltraummüll“ zusammengefassten, Objekten handelt es sich um Teile höchst unterschiedlicher Größe und Masse.
• Neben ausgebrannten Raketenstufen und vollständigen nicht mehr operationellen Satelliten sind auch Kleinstteile wie Bruchstücke nach Explosionen oder Reste von Raketentreibstoff Teil des Problems. Ohne hier näher auf eine vollständige Beschreibung aller möglichen Ursachen von Weltraummüll einzugehen, ist es wichtig festzustellen, dass die Anzahl der ein Kollisionsrisiko bildenden Objekte mit abnehmender Größe bzw. Masse exponentiell ansteigt. Hierbei kommt erschwerend hinzu, dass gerade diese Kleinteile nicht mehr vom Erdboden aus beobachtbar sind und deshalb die bei größerem Weltraummüll mit bekannter Umlaufbahn bestehende Strategie von Ausweichmanövern für operationelle Raumfahrzeuge nicht durchführbar ist.
• Die erfindungsgemäße Detektion kann in vorteilhafter Weise mit einer terrestrischen Objektortung kombiniert werden. Vom Boden aus erkennbar sind nämlich im niedrigen Erdorbit Objekte ab etwa einer Größe von 0,1m und im geostationären Erdabstand Objektgrößen ab ca. 0,3m. Das heißt, während große Teile vom Boden aus geortet werden können, können durch die Erfindung kleinste Teile im Weltraum erfasst werden, indem das erfindungsgemäße System an einem Flugkörper befestigt ist.
• Für diese Anteile, des derzeit existierenden Weltraummülls, können durch entsprechende Auswertung der Beobachtungen die Bahnparameter der Umlaufbahn bestimmt werden und damit mögliche Kollisionen mit noch aktiven Satelliten erkannt und durch geplante Bahnmanöver verhindert werden. Für kleinere, vom Boden aus nicht erkennbare, Teilchen ist die erfindungsgemäße Detektion sehr vorteilhaft, da auch kleinste Objekte wegen ihrer hohen kinetischen Energie durchaus Schäden unterschiedlicher Art verursachen können. Die Detektion dieser Kleinteile verschafft die Kenntnis über deren Häufigkeit, Größe und räumliche Verteilung, was für die Auslegung zukünftiger Raumfahrzeuge wichtig ist.
• Zu diesem Zweck wurden zwar in der Vergangenheit unterschiedlichste Sensoren entwickelt und im Orbit platziert. Mit den durch die Erfindung gewinnbaren Erkenntnissen ist es jedoch möglich, Modelle bezüglich der statistischen Eigenschaften von kleinteiligem Weltraummüll zu erstellen.
• Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die verwendbaren Sensor-Messflächen aufgrund der einfachen Technik nicht mehr klein sein müssen, sondern deutlich über 1 m² sein können.
• Neben der erfindungsgemäßen Technik zur Erfassung von Weltraummüll ist auch eine Auswertung von Beschädigungen auf zum Erdboden zurückgekehrter Hardware und anderen Beschädigungen möglich. Probleme gab es in der Vergangenheit beispielsweise bei Fenstern des Space-Shuttles, bei der EURECA-Plattform oder bei Teilen der Hubble Space Telescope Hardware. Gegenüber anderen Erfassungslösungen bietet die Erfindung den Vorteil, dass eine Messdauer, also der Zeitraum, in dem die Hardware den Weltraumbedingungen ausgesetzt war, nicht kurz sein muss, was verlässliche statistischen Aussagen erlaubt.
• Das bekannte Problem einer für statistische Erhebungen zu kleinen Messfläche entsteht wegen der geringen Wahrscheinlichkeit für einen Einschlag von Weltraummüllteilchen auf einer kleinen Messfläche.
• Für einen Pol nahen Orbit mit 98° Inklination und einer Bahnhöhe von 800 km kann beispielsweise bei einer Messfläche von 1 m² und einer Teilchengröße von 100 µm nur von einem Treffer in 0,8 Tagen ausgegangen werden. Für eine Objektgröße von 1 mm sinkt dieser Wert sogar auf nur einen Treffer in 50 Jahren. Dies zeigt deutlich die Bedeutung einer ausreichend großen Sensorfläche für statistisch aussagefähige Messungen.
• Durch die Erfindung wird neben dem Problem einer zu kleinen Sensorflache auch die Schwierigkeit beseitigt, die Entwickler zukünftiger Satelliten davon zu überzeugen, die zusätzliche erforderliche Hardware einzuplanen, da die erfindungsgemäße Hardware kostengünstig ist. Ein weiterer durch die Erfindung vorhandener Vorteil ist eine unkomplizierte räumliche Ausrichtung der Sensorflächen. Befindet sich die nach dem Stand der Technik bekannte Messvorrichtung beispielweise auf einem Solargenerator eines Satelliten, so wird diese, missionsbedingt, immer auf die Sonne ausgerichtet sein und kann nicht optimal den speziellen Missionsanforderungen einer Messung von Weltraummüllteilchen angepasst werden.
• Auch bietet die Erfindung den Vorteil gegenüber anderen Messverfahren, dass keine zu hohen Massen und Energieanforderungen notwendig sind, da die Sensorfolien dünn und leicht sein können. Ein weiteres durch die Erfindung gelöstes Problem ist, dass im Gegensatz zum derzeit üblichen Verfahren bei einer nachträglichen Analyse von Beschädigungen auf zum Erdboden zurückgekehrter Hardware, der genaue Zeitpunkt des Einschlags im Orbit bestimmbar ist und damit Rückschlüsse auf die Flugrichtung der Weltraummüllteilchen möglich sind.
• Gegenüber anderen bekannten Verfahren bzw. Systemen hat die Erfindung den Vorteil, dass eine Anordnung der Sensortechnik (Detektorteil) nicht auf der gesamten, den Weltraumteilchen ausgesetzten, Fläche erfolgen muss. Es müssen beispielsweise keine elektrisch isolierten Schichten verwendet werden, die hohe technischen Anforderungen stellen und insbesondere bei größeren Messflächen zu großen Massen führen. Mit der vorliegenden Erfindung wird es möglich, auch große, für statische Analysen wichtige Messflächen einfach zu realisieren, da hierbei eine weitgehende Trennung zwischen Messfläche und Sensortechnik (Detektor) erfolgt. Die den Weltraumteilchen ausgesetzte Fläche besteht nur aus einer Folie, wobei die durch aufschlagende Weltraummüllteilchen erfolgten Markierungen durch den Sensor leicht erfasst werden können.
• Die Folie bzw. die Folien erlauben große Messflächen, eine einfache Technik und haben den Vorteil einer geringen erforderlichen Masse. Eine vorteilhafte Transportvorrichtung der Folie befördert die auf der Messfläche enthaltene Information zu einer an geeigneter Stelle am Raumfahrzeug angeordneten Sensortechnik und kann dort zusammen mit den Zeit-, Positions- und Lageinformationen des Raumfahrzeugs ausgewertet werden.
• Die Erfindung stellt eine Vorrichtung zur Verfügung, die es ermöglicht, auf einfache Weise mit einer großen Messfläche die Eigenschaften, Größe, Anzahl, zeitliche Verteilung und Flugrichtung von kleinen Weltraummüllteilchen bestimmen zu können.
• Mit anderen Worten wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein auf einem künstlichen Weltraumflugkörper installierbares System, das zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten ausgeführt ist, eine Erfassungseinrichtung zur Bestimmung einer Größe, einer Anzahl, einer zeitlichen Verteilung und/oder einer Flugrichtung von Weltraumteilchen aufweist, wobei die Erfassungseinrichtung mindestens ein folienartiges, bewegbares Sensorteil und mindestens ein Detektorteil umfasst, wobei das folienartige, bewegbare Sensorteil eine Sensorfläche zur Erfassung mindestens einer durch einen Einschlag oder Durchschlag eines Weltraumteilchens hervorgerufenen Markierung bildet, wobei das folienartige, bewegbare Sensorteil relativ zum Detektorteil derart bewegbar ausgeführt ist, dass mindestens eine durch den Einschlag oder Durchschlag erfolgte Markierung auf dem folienartigen, bewegbaren Sensorteil relativ zu dem Detektorteil transportiert wird, wobei das Detektorteil zum Detektieren der durch den Einschlag oder den Durchschlag hervorgerufenen Markierung auf dem folienartigen, bewegbaren Sensorteil ausgeführt ist.
• Die auf der Erfassungseinrichtung befindliche bewegliche folienartige Struktur als Sensorfolie wird von den Weltraummüllteilchen im Idealfall durchschlagen und die damit entstehende Markierung wird von einer Transportvorrichtung zu einem Detektorteil befördert und dort ausgewertet.
• Grundgedanke der Erfindung ist es also, eine bewegliche, folienartige Struktur als Sensorfolie derart anzuordnen, dass sie von den Weltraummüllteilchen auf ihrer Flugbahn durchschlagen wird. Durch vorzugsweise vorhandene drehbare Transportrollen wird die Spur des Durchschlags zu einem Sensor transportiert und dort ausgewertet. In einer einfachen Ausführung der Erfindung wird damit schon die Bestimmung der Anzahl von Weltraummüllteilchen für eine vorgegebene Fläche innerhalb einer bestimmten Zeit, sowie die Bestimmung der Größe dieser Weltraummüllteilchen ermöglicht. Dabei kann auf die geometrische Ausdehnung der Weltraummüllteilchen durch die Lochgröße geschlossen werden. Die zeitliche Verteilung der Weltraummüllteilchen pro Fläche kann dabei durch die Kenntnis der Transportgeschwindigkeit der Messfolie bestimmt werden.
• Mit anderen Worten besteht das kennzeichnende technische Prinzip der Erfindung darin, dass auf dem Detektorelement eine Sensorfolie angebracht ist, die von den Weltraumteilchen im Idealfall durchschlagen wird. Die Sensorfolie wird beispielsweise über geeignet positionierte Transportrollen bewegt, wodurch erreicht wird, dass der vom Weltraumteilchen erzeugte Durchschlagspunkt zu einem oder mehreren Sensoren bewegt und dort hinsichtlich seiner Lage auf der Sensorfolie erfasst wird. Um dies zu erreichen, ist die Sensorfolie mit einer vom Sensor erfassbaren Markierung in Längs- und Querrichtung versehen. Die Koordinaten des Durchschlags werden vom Sensor erfasst und beispielsweise in einem zugehörigen Datenspeicher abgelegt. Da somit die Position jeder erfassten Messung gespeichert wird, können nachfolgende, neue Durchschläge von bereits erfassten unterschieden werden.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das folienartige bewegbare Sensorteil eine Sensorfolie ist, die zwischen mindestens zwei voneinander beabstandeten Transportrollen aufgespannt ist, zwischen denen die Sensorfläche angeordnet ist. Mit dieser einfachen ersten Ausführungsform ist eine zahlenmäßige Erfassung der Weltraumteilchen möglich. Möglich ist eine Umkehrrichtung der Transportrollen, um ein Hin- und Her bewegen der Folie zu ermöglichen und damit eine lange Betriebsdauer zu erreichen.
• Hierfür ist es besonders günstig, wenn zwischen den beiden Transport- oder Führungsrollen eine einzige Sensorfläche angeordnet ist. Die Folie ist auf beiden Rollen gelagert. Es ist eine erste Transportrolle am Anfang vorhanden. Durch die Bewegung der Sensorfolie wird diese von der Transportrolle abgerollt. Eine zweite Transportrolle, auf der die Sensorfolie aufgerollt wird, ist in Richtung der Transportrichtung vorhanden. Diese Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Transportrollen eine einzige Sensorfläche angeordnet ist, wobei eine erste Transportrolle oder Führungsrolle in entgegengesetzter Transportrichtung der Sensorfolie angeordnet ist, wobei von dieser Transportrolle oder Führungsrollen die Sensorfolie abgerollt bzw. mit die Bewegung der Sensorfolie von der Transportrolle oder Führungsrolle abgerollt wird, und wobei eine zweite Transportrolle oder Führungsrolle in Richtung der Transportrichtung vorhanden ist, auf der die Sensorfolie aufgerollt wird.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das folienartige bewegbare Sensorteil eine Sensorfolie ist, die mindestens als ein Endlosband ausgeführt ist. Jedem Endlosband ist ein Detektorteil zugeordnet. Diese vorteilhafte Ausführung der Erfindung ermöglicht zusätzlich auch die Bestimmung des Zeitpunktes des Durchschlags der Folie. Dazu wird die Aufrollvorrichtung durch eine einem Förderband ähnliche Mechanik ersetzt. Die Messfolie besteht aus zwei übereinanderliegenden Schichten. Diese bewegen sich, wie bei einem Förderband, in entgegengesetzte Richtungen und müssen zur Erfüllung der Aufgabe möglichst nahe zueinander angeordnet sein. Der gewünschte Durchschlag der Weltraummüllteilchen erfolgt jetzt durch beide Folien, praktisch gleichzeitig, wobei sich die beiden Durchschlagspunkte der Folie durch deren gegenläufige Bewegung sofort auseinander bewegen. Durch Kenntnis der Transportgeschwindigkeit der Messfolie und durch Messung der Lage der beiden Durchschläge auf der Folie kann jetzt auf einfache Weise der Zeitpunkt des Durchschlags bestimmt werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die beiden Durchschlagspunkte konstruktionsbedingt bezogen auf eine der jeweiligen Drehachsen der Förderbandmechanik den gleichen Abstand aufweisen. Durch Kenntnis der Bewegungsgeschwindigkeit der Messfolie kann somit die Stellung der Förderbandmechanik zum Zeitpunkt des Durchschlags bestimmt und damit der Zeitpunkt des Durchschlags ermittelt werden.
• Damit die beiden übereinanderliegenden Folienabschnitte möglichst dicht zu einander stehen, ist jedes Endlosband durch mindestens vier Umlenkrollen so geführt, dass zwei parallele dicht zueinander liegende Sensorflächen gebildet werden. Dadurch wird ein Messfehler bei der Bestimmung des Zeitpunktes des Durchschlags minimiert. Zur Vereinfachung der Berechnung des Zeitpunktes des Durchschlags kann angenommen werden, dass die Markierungen an der Ober- und Unterfolie gleichzeitig erfolgen. Der zeitliche Versatz zwischen Durchschlagung der Oberfolie und der Unterfolie ist vernachlässigbar.
• Erfindungsgemäß ist ein erstes, einem zulaufenden Weltraumteilchen zugewandtes Endlosband und ein zweites, in Flugrichtung des Weltraumteilchens gesehen hinter dem ersten Endlosband angeordnetes und von dem ersten Endlosband beabstandetes Endlosband vorhanden. Die Erfindung ermöglicht durch die Kombination zweier, der zuvor beschriebenen förderbandähnlichen Mechaniken, zusätzlich die Bestimmung des Richtungsvektors des Einschlages aus Flugbahn des Weltraumteilchens und der Richtung des Durchschlags. Dazu werden die beiden Förderbandelemente übereinander und parallel zueinander angeordnet, wodurch erreicht wird, dass der Durchschlag des Weltraumteilchens jetzt durch vier Messfolien erfolgt. Die Zuordnung der zusammengehörenden Durchschläge ist durch Kenntnis der Zeitpunkte der Durchschläge leicht möglich. Da jetzt zwei räumliche Koordinaten bekannt sind, kann die Flugbahn des Weltraumteilchens ermittelt werden. Zur endgültigen Bestimmung des Flugvektors fehlt damit noch die Bestimmung der Richtung des Durchschlages.
• Da eine Bestimmung durch Vergleich der Durchschlagszeitpunkte aufgrund der hohen Fluggeschwindigkeiten der Weltraummüllteilchen und wegen des vergleichbaren geringen Abstands der Messfolien nicht möglich erscheint, muss die Richtungsbestimmung durch eine optische Analyse des Durchschlagskraters mittels eines geeigneten Sensors erfolgen.
• Hinsichtlich des Umfangs der beabsichtigten Messungen können also grundsätzlich drei Ausführungsformen, wie beschrieben, unterschieden werden. Zur Vergrößerung der Messflache können mehrere von diesen Detektorelementen auf dem Raumfahrzeug montiert werden.
• Beabsichtigt man nur eine zahlenmäßige Erfassung der Weltraumteilchen, so genügt die erste Ausführungsform, bei der die Sensorfolie nur einlagig von beispielsweise einer ersten Rolle zu einer zweiten Rolle transportiert und dort aufgerollt wird. Dieser Vorgang kann durch Umkehrung der Drehrichtung, solange der Zustand der Sensorfolie dies zulässt, beliebig oft wiederholt werden. Nachteil dieser Ausführungsform ist, dass der Zeitpunkt des Durchschlagereignisses nicht bestimmt werden kann, da nur die Ortskoordinaten vom Sensor erfasst werden.
• Beabsichtigt man zusätzlich auch eine Messung des Zeitpunktes des Durchschlags des Weltraumteilchens, ist die zweite Ausführungsform erforderlich. Die Sensorfolie wird hierbei vergleichbar der Mechanik eines Förderbandes angeordnet. Durch die sich damit ergebende Geometrie wird erreicht, dass der Durchschlag jetzt, praktisch gleichzeitig, an zwei Stellen der endlosen Sensorfolie erfolgt. Für eine korrekte Messung ist es erforderlich, die beiden, sich in entgegengesetzte Richtung bewegenden Teile der Sensorfolie, möglichst dicht aneinander anzuordnen. Dies wird erreicht durch zusätzliche Umlenkrollen und weitere Führungsstrukturelemente. Das verwendete Messprinzip besteht nun darin, dass pro Weltraumteilchen zwei Durchschlagspunkte vom Sensor erfasst werden, die beide, bei Annahme einer symmetrischen Anordnung von Sensor und Sensorfolie, gleich weit vom Sensor entfernt sind. Bei der Auswertung der Messkoordinaten kann somit, bei Kenntnis von Startstellung und Transportgeschwindigkeit der Sensorfolie, der Zeitpunkt bestimmt werden, bei dem der Durchschlag erfolgte. Durch Abgleich des damit bekannten Zeitpunkts mit den aufgezeichneten Daten der Positionskontrolle des Raumfahrzeugs kann neben dem Zeitpunkt auch der Ort des Ereignisses bestimmt werden.
• Beabsichtigt man erfindungsgemäß neben der Messung von Anzahl, Zeitpunkt und Ort auch noch die Bestimmung der Richtung des Weltraumteilchens, so ist die nachfolgende technische Ausführung erforderlich. Bei dieser Ausführung werden vereinfacht beschrieben zwei Mechaniken nach der zweiten Ausführungsform übereinander angeordnet. Durch die im geeigneten Abstand angeordneten Sensorfolienelemente ergeben sich jetzt, nach dem gemäß der zweiten Ausführungsform beschrieben Messverfahren, zwei getrennte Messpunkte mit bekanntem Zeitpunkt des Durchschlags. Der Durchschlagszeitpunkt kann also aufgrund der extrem hohen Bahngeschwindigkeit der Weltraumteilchen und des vergleichbar geringen Abstands der Sensorfolien für beide Sensorelemente als gleich angenommen werden. Zusammen mit den aufgezeichneten Daten der Positions- und Lagekontrolle des Raumfahrzeugs kann jetzt, mit den zwei bekannten Punkten, eine ungerichtete Gerade im Raum bestimmt werden, auf der sich das Weltraumteilchen bewegt. Für eine vollständige Bestimmung des Richtungsvektors kann noch eine optische, am Sensor erfolgende Untersuchung des Durchschlagskraters oder eine Auswertung der zum Zeitpunkt des Ereignisses auftretenden Störmomente der Raumfahrzeuglagekontrolle dienen. Hinsichtlich der Anforderungen einer technischen Realisierung sei noch erwähnt, dass die Transportgeschwindigkeit der Sensorfolie sehr gering ist und damit keine negativen Effekte durch Reibungseffekte der beiden Sensorfolienseiten auftreten. Die Geschwindigkeit, mit der sich die beiden Durchschlagspunkte auseinander bewegen, dient nur dazu, die Stellung der Sensorfolie zum Zeitpunkt des Durchschlags bestimmen zu können.
• Eine besonders vorteilhafte Foliendimensionierung ergibt sich, wenn nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung das Material der Sensorfolie so beschaffen und/oder die Foliendicke so bemessen ist, dass diese von Weltraumteilchen von mindestens 1 mm, insbesondere von mindestens 0,1 mm durchstoßbar ist. Das entstehende Durchschlagsloch kann mittels optischer Verfahren gut und eindeutig detektiert werden.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist vorgesehen, dass eine effektive Sensorfläche von mindestens 1m², vorzugsweise von mehreren m², vorhanden ist. Eine große Sensorfläche vermeidet die eingangs beschriebenen Nachteile. Mit einer großen Sensorfläche ist es möglich, sich einen präzisen Überblick über die Weltraummüllsituation zu verschaffen.
• Um eine Auswertung auf der Erde oder im Weltraum zu erzielen, ist in dem erfindungsgemäßen System eine bzw. mindestens eine mit jedem Detektorteil signaltechnisch verbundene Auswerteelektronik zur Auswertung der Markierungen der auf jedem folienartigen, bewegbaren Sensorteil treffenden Einschläge oder Durchschläge der Weltraumteilchen vorhanden.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung einer Anzahl von Weltraumteilchen mit einem vorbeschriebenen System ist gekennzeichnet durch die Schritte,
1. i. Anordnen des beweglichen Sensorteils an gegenüber im Weltraum fliegenden Weltraumteilchen exponierter Position eines künstlichen Weltraumflugkörpers,
2. ii. Bewegen des beweglichen Sensorteils zu einem Detektorteil, und
3. iii. Erfassen der Markierung eines Einschlags oder Durchschlags auf dem beweglichen Sensorteil mittels des Detektorteils.
• In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens detektiert das Detektorteil die Lage der beiden Durchschläge und mittels der Transportgeschwindigkeit des folienartigen, bewegbaren Sensorteils wird der Zeitpunkt des Durchschlags berechnet.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens kann zusätzlich zum Zeitpunkt des Durchschlagsereignisses mittels aufgezeichneter Daten der Positionskontrolle des Weltraumflugkörpers auch der Ort des Durchschlagsereignisses bestimmt werden.
• Mittels statistischer Wahrscheinlichkeit bzw. statistischer Erfassung von Weltraummüll-Objekten kann auf größere Objekte geschlossen werden. So ist ein Verfahren zur statistischen Erfassung von Weltraummüll-Objekten möglich. Aufgrund der auf die Sensorfläche auftreffenden Weltraumteilchen kann eine statistische Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins größerer Weltraumteile berechnet werden.
• Ausführungsbeispiele
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher erläutert, wobei weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung und Vorteile derselben beschrieben sind.
• Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten,
• 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten,
• 3 eine weitere schematische Darstellung der dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems,
• 4 eine schematische Darstellung des Verfahrens am Beispiel der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten, und
• 5 eine weitere schematische Darstellung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems mit weiteren Details.
• Die 1 bis 3 zeigen schematisch drei Ausführungsbeispiele eines auf einem künstlichen Weltraumflugkörper 17 installierbaren Systems 20 zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten. Alle abgebildeten Ausführungsformen weisen mindestens ein folienartiges, bewegbares Sensorteil 1 in Form einer Sensorfolie auf. Weiterhin weisen alle abgebildeten Ausführungsformen mindestens ein Detektorteil 6 auf. Bei allen drei Ausführungsformen, die in 1 bis 3 gezeigt sind, ist jede Sensorfolie 1 zwischen mindestens zwei voneinander beabstandeten Transport- oder Führungsrollen 2 und 3 aufgespannt. Zwischen den Rollen 2 und 3 befindet sich die Sensorfläche 13 als Teil der Sensorfolie 1. Auf den Sensorfolien 1, aller gezeigten Ausführungsformen, befinden sich in Längs- und Querrichtung angebrachte Markierungen 5, die von dem Detektorteil 6 erkennbar sind, um damit die Koordinaten der durch einen Durchschlag 14 oder Einschlag P1, P2 hervorgerufenen Markierungen bestimmen zu können.
• In der in 1 abgebildeten Ausführungsform ist das System 20 in der Lage, Größe und Anzahl von auf das folienartige, bewegbare Sensorteil 1 auftreffenden Weltraumteilchen 15 zu bestimmen. Das folienartige, bewegbare Sensorteil 1 ist als Sensorfolie 1 ausgeführt. Die Sensorfolie 1 wird in dieser Ausführungsform einlagig von einer ersten Transportrolle 2 abgerollt und zu einer zweiten Transportrolle 3 in x-Richtung transportiert und dort aufgerollt. Dieser Vorgang kann durch Umkehrung der Drehrichtung, solange der Zustand der Sensorfolie 1 dies zulässt, beliebig oft wiederholt werden. Die Sensorfolie 1 spannt zwischen der ersten Transportrolle 2 und der zweiten Transportrolle 3 eine Sensorfläche 13 zur Erfassung mindestens einer durch einen Einschlag P1, P2 oder Durchschlag 14 eines Weltraumteilchens 15 hervorgerufenen Markierung auf. An der zweiten Transportrolle 3, und/oder an Transportrolle 2, ist ein Detektorteil 6 angeordnet. Dieses Detektorteil 6 kann beispielsweise als Sensor ausgeführt sein. In 1 ist ein Weltraumteilchen 15 eingezeichnet, das auf der Sensorfolie 1 auftrifft und einen Durchschlag 14 verursacht. Dieser Durchschlag 14 bildet eine Markierung auf der Sensorfolie 1, wobei die Sensorfolie 1 relativ zum Detektorteil 6 derart bewegbar ist, dass die durch den Durchschlag 14 erfolgte Markierung relativ zu dem Detektorteil 6 transportiert wird, wo die Koordinaten des Durchschlags 14 anhand der Markierungen 5 (nur in 5 zu sehen) erfasst und beispielsweise in einem zugehörigen Datenspeicher 18 abgelegt werden. Damit wird die Bestimmung der Anzahl von Weltraummüllteilchen 15 für eine vorgegebene Fläche innerhalb einer bestimmten Zeit, sowie die Bestimmung der Größe dieser Weltraummüllteilchen 15 ermöglicht. Dabei kann auf die geometrische Ausdehnung der Weltraummüllteilchen 15 durch die Lochgröße des Durchschlags 14 geschlossen werden. Die zeitliche Verteilung, der Weltraummüllteilchen 15 pro Fläche, kann durch die Kenntnis der Transportgeschwindigkeit der Sensorfolie 1 bestimmt werden. Da somit die Position jeder erfassten Messung gespeichert wird, können nachfolgende, neue Durchschläge von bereits erfassten unterschieden werden. Möglich ist eine Umkehrrichtung der Transportrollen 2,3, um ein Hin- und Herbewegen der Sensorfolie 1 zu ermöglichen und damit eine lange Betriebsdauer zu erreichen. Da alle Markierungen von Durchschlägen 14 oder Einschlägen P1, P2 erfasst und abgespeichert werden, sind neue Durchschläge 14 oder Einschläge P1, P2 von bereits erfassten unterscheidbar.
• In der in 2 abgebildeten Ausführungsform ist das System 20 in der Lage, Größe und Anzahl sowie eine zeitliche Verteilung und die Flugrichtung von auf das folienartige, bewegbare Sensorteil 1 auftreffenden Weltraumteilchen 15 zu bestimmen. In dieser Ausführungsform ist die Sensorfolie 1 als Endlosband 16 ausgeführt. Das Endlosband 16 umschlingt die erste und zweite Führungsrolle 2,3 jeweils teilweise. Durch Rotieren der ersten und zweiten Führungsrolle 2,3 bewegt sich das Endlosband 16 in einem Kreislauf so, dass es bei jedem Umlauf an dem Detektorteil 6 vorbeigeführt wird. Das Endlosband 16 bildet dabei zwischen der ersten und zweiten Führungsrolle 2,3 zwei Sensorflächen 13a, 13b, nämlich eine erste Sensorfläche 13a an seiner Oberfläche beim Hinlauf in x-Richtung zwischen der ersten Führungsrolle 2 und der zweiten Führungsrolle 3, und eine zweite Sensorfläche 13b an seiner Oberfläche beim Rücklauf in entgegengesetzter x-Richtung zwischen der zweiten Führungsrolle 3 und der ersten Führungsrolle 2. Umlenkrollen 4 befinden sich jeweils im Vorlauf und im Rücklauf und lenken das Endlosband 16 so um, dass sich das Endlosband 16 im Vor- und Rücklauf zwei im Wesentlichen parallele und dicht zueinander liegende Sensorflächen 13a, 13b bilden. Diese vorteilhafte Ausführung der Erfindung ermöglicht zusätzlich auch die Bestimmung des Zeitpunktes des Durchschlags der Folie. Vor- und Rücklauf der Endlosfolie 16 bewegen sich wie bei einem Förderband, also in entgegengesetzte Richtungen. Ein Durchschlag 14 eines Weltraummüllteilchens 15 erfolgt jetzt durch beide Sensorflächen 13a und 13b. Der Durchschlag 14 durch die beiden Sensorflächen 13a, 13b erfolgt wegen der hohen Bahngeschwindigkeit und der großen kinetischen Energie der Weltraumteilchen 15 praktisch gleichzeitig, wobei sich die beiden Durchschläge 14 der Endlosfolie 16 durch deren gegenläufige Bewegung sofort auseinander bewegen. Durch Kenntnis der Transportgeschwindigkeit der Endlosfolie 16 und durch Messung der Lage der beiden Durchschläge 14 auf den durch Vor- und Rücklauf gebildeten beiden Schichten der Endlosfolie 16 kann jetzt auf einfache Weise der Zeitpunkt des Durchschlags 14 bestimmt werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die beiden Durchschlagspunkte 14 konstruktionsbedingt bezogen auf eine der jeweiligen Drehachsen der Führungsrollen 2, 3 den gleichen Abstand aufweisen. Durch Kenntnis der Bewegungsgeschwindigkeit der Endlosfolie 16 kann somit die Stellung der Führungsrollen 2, 3 zum Zeitpunkt des Durchschlags 14 über eine Positionskontrolle 19 bestimmt und damit der Zeitpunkt des Durchschlags 14 ermittelt werden. Durch die Minimierung des Abstands von Vor- und Rücklauf der Endlosfolie 16, über die Umlenkrollen 4, wird ein Messfehler bei der Bestimmung des Zeitpunktes des Durchschlags 14 minimiert. Zur Vereinfachung der Berechnung des Zeitpunktes des Durchschlags 14 kann angenommen werden, dass die Markierungen an den beiden Sensorflächen 13a, 13b gleichzeitig erfolgen, da der zeitliche Versatz zwischen den beiden Durchschlägen 14 der Sensorflächen 13a, 13b vernachlässigbar ist.
• Wie in 3 gezeigt, können auch zwei Endlosbänder 16a, 16b verwendet werden, wobei jedem Endlosband 16a, 16b ein Detektorteil 6a, 6b zugeordnet ist. Der Aufbau dieser Ausführungsform entspricht der Verdopplung des Aufbaus der Ausführungsform gem. 2. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird daher hier auf die Beschreibung des Aufbaus der Ausführungsform gem. 2 verwiesen. Im Ergebnis werden in dieser Ausführungsform zwei im Wesentlichen parallele und dicht zueinander liegende Sensorflächen 13a, 13b und 13c, 13d gebildet. Diese Ausführungsform der Erfindung ermöglicht durch die Kombination zweier der zuvor beschriebenen förderbandähnlichen Mechaniken zusätzlich die Bestimmung des Richtungsvektors des Durchschlags 14 aus Flugbahn des Weltraumteilchens und der Richtung des Durchschlags. Die beiden förderbandähnlichen Mechaniken sind dazu übereinander und im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet, wodurch erreicht wird, dass der Durchschlag 14 des Weltraumteilchens 15 jetzt durch vier Schichten von Sensorfolien 1 erfolgt. Die Zuordnung der zusammengehörenden Durchschläge 14 ist durch Kenntnis der Zeitpunkte der Durchschläge 14 leicht möglich. Da jetzt zwei räumliche Koordinaten bekannt sind, kann die Flugbahn des Weltraumteilchens 15 ermittelt werden. Zur endgültigen Bestimmung des Flugvektors fehlt damit noch die Bestimmung der Richtung des Durchschlages 14. Da eine Bestimmung durch Vergleich der Durchschlagszeitpunkte, aufgrund der hohen Fluggeschwindigkeiten der Weltraummüllteilchen 15 und wegen des vergleichbaren geringen Abstands der Schichten der Sensorfolien 1, nicht möglich erscheint, muss die Richtungsbestimmung durch eine optische Analyse des Durchschlagskraters mittels eines geeigneten Sensors erfolgen.
• Für alle gezeigten Ausführungsformen ist es vorteilhaft, das Material der Sensorfolie (1) und/oder die Dicke der Sensorfolie 1 so zu wählen, dass sie von Weltraumteilchen 15 von mindestens 1 mm, insbesondere schon von mindestens 0,1 mm durchschlagen werden kann. Weiterhin ist es für alle gezeigten Ausführungsformen vorteilhaft, wenn die nutzbare Sensorfläche 13 bzw. 13a, 13b, 13c, 13d mindestens 1m², vorzugsweise mehrere m² beträgt, sowie eine mit jedem Detektorteil 6, 6a, 6b signaltechnisch verbundene Auswerteelektronik zur Auswertung der auf jeder Sensorfolie 1 treffenden Einschläge P1, P2 bzw. Durchschläge 14 der Weltraumteilchen 15 vorhanden ist.
• 4 ist eine schematische Darstellung des Verfahrens am Beispiel der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten gem. 2. Bezüglich der Bezeichnungen der dargestellten Komponenten des Systems 20 sei daher auf 2 verwiesen, so dass auf die entsprechenden Referenzzeichen in 4 zur besseren Übersichtlichkeit verzichtet wurde. Stattdessen ist in dieser Figur der Nullpunkt 30 für die x-Koordinate eingezeichnet. P1 bezeichnet einen Einschlag in die obere Schicht der Sensorfolie 1 mit der x-Koordinate x1 und der senkrecht hierzu ausgerichteten y-Koordinate y1. P2 bezeichnet einen Einschlag in die untere Schicht der Sensorfolie 1 mit der x-Koordinate x2 und der senkrecht hierzu ausgerichteten y-Koordinate y2. Die Sensorfolie 1 weist also in die jeweilige Transportrichtung x, -x gesehen Markierungen mit den Koordinaten x1, y1 bzw. x2, y2 auf. Das Detektorteil 6 erkennt diese Koordinaten beim Vorbeilauf der Sensorfolie 1. Durch Kenntnis der Transportgeschwindigkeit der Endlosfolie 16 und durch Messung der Lage der Koordinaten x1, y1 und x2, y2 kann jetzt auf einfache Weise der Zeitpunkt des Durchschlags 14 bestimmt werden. Dabei wird die Tatsache ausgenutzt, dass die beiden Durchschlagspunkte 14 konstruktionsbedingt, bezogen auf eine der jeweiligen Drehachsen der Führungsrollen 2, 3, den gleichen Abstand aufweisen. Durch Kenntnis der Bewegungsgeschwindigkeit der Endlosfolie 16 kann somit die Stellung der Führungsrollen 2, 3 zum Zeitpunkt der Einschläge P1, P2 über eine Positionskontrolle 19 bestimmt und damit der Zeitpunkt des Durchschlags 14 ermittelt werden. Dabei kann zur Vereinfachung der Berechnung des Zeitpunktes der Einschläge P1, P2 angenommen werden, dass die Markierungen an den beiden Sensorflächen 13a, 13b gleichzeitig erfolgen, da der zeitliche Versatz zwischen den beiden Einschläge P1, P2 der Sensorflächen 13a, 13b vernachlässigbar ist.
• In 5 sind die Sensorfolie 1, die Führungsrollen 2, 3, die Umlenkrollen 4, der Detektorteil 6, Tragelemente 7, eine Rolle 8, eine Lagerung 9 der zweiten Führungsrolle 3, Führungsflachen 10 und 11 und eine Raumfahrzeugstruktur 12 der Ausführungsform gem. 2 des Systems 20 zu sehen. Weiterhin sind die Markierungen 5 in x- und y-Richtung auf der Sensorfolie 1 in der Fig. angedeutet. Die Sensorfolie 1 wird über die Transport- oder Führungsrollen 2 und 3 bewegt und ihre Ober- und Unterseite über mehrere Umlenkrollen 4 im Messbereich in einem möglichst kleinen Abstand zueinander ausgerichtet. Auf der Sensorfolie 1 befinden sich in Längs- und Querrichtung angebrachte Markierungen, die von dem Detektorteil 6 erkannt werden, um damit die Koordinaten eines Durchschlags 14 oder Einschlags P1, P2 bestimmen zu können. Tragelemente 7 dienen zur Bildung einer steifen Rahmenstruktur und zur Aufnahme bzw. drehbaren Lagerung 9 der Führungsrolle 3. Die hier mit einem Rechteckquerschnitt dargestellten Tragelemente 7 der Rahmenstruktur bestehen jeweils aus einer auf einer Rolle 8 flachgedrückten, aufgerollten Struktur, vorzugsweise aus CFK, die sich nach dem Abrollen eigenständig in ihre vorgegebene Form entfaltet und damit die erforderliche Steifigkeit erhält. Zur beidseitigen Führung und zur Sicherstellung des möglichst geringen Abstandes von Ober- und Unterseite der Sensorfolie 1 sind an den Tragelementen 7 über die gesamte Messflächenlange Führungsflächen 10 und 11 angebracht, die als Startkonfiguration zusammen mit den Tragelementen 7 auf der Rolle 8 aufgerollt sind und sich wegen ihrer festen Verbindung mit den Tragelementen 7 bei Missionsbeginn gemeinsam entfalten. Die gesamte zuvor beschriebene Mechanik wird auf einer Raumfahrzeugstruktur 12 befestigt, wobei die im Orbit entfaltbaren Tragelemente 7 während des Starts auf den Rollen 8 aufgerollt sind.
• Bezugszeichenliste

1

folienartiges, bewegbares Sensorteil, Sensorfolie

2

erste Führungsrolle, erste Transportrolle

3

zweite Führungsrolle, zweite Transportrolle

4

Umlenkrolle

5

Markierungen im XY-Koordinatensystem

6

Detektorteil, Sensor / Scanner

6a, 6b

Detektorteil

7

Tragelement

8

Rolle

9

Lagerung

10

erste Führungsfläche

11

zweite Führungsfläche

12

Raumfahrzeugstruktur

13, 13a, 13b, 13c

Sensorfläche

14

Durchschlag

15

Weltraumteilchen

16, 16a, 16b

Endlosband

17

Weltraumflugkörper

18

Speicher

19

Positionskontrolle

P1

Einschlag

P2

Einschlag

X

Richtung

Claims (8)

1. Auf einem künstlichen Weltraumflugkörper (17) installierbares System (20), das zur Erfassung von Weltraummüll-Objekten ausgeführt ist, mit einer Erfassungseinrichtung zur Bestimmung einer Größe, einer Anzahl, einer zeitlichen Verteilung und/oder einer Flugrichtung von Weltraumteilchen, wobei die Erfassungseinrichtung mindestens ein folienartiges, bewegbares Sensorteil (1) und mindestens ein Detektorteil (6) umfasst, wobei das folienartige, bewegbare Sensorteil (1) eine Sensorfläche (13) zur Erfassung mindestens einer, durch einen Einschlag (P1, P2) oder Durchschlag (14) eines Weltraumteilchens (15) hervorgerufenen Markierung bildet, wobei das folienartige, bewegbare Sensorteil (1) relativ zum Detektorteil (6) derart bewegbar ausgeführt ist, dass mindestens eine durch den Einschlag (P1, P2) oder Durchschlag (14) erfolgte Markierung auf dem folienartigen, bewegbaren Sensorteil (1) relativ zu dem Detektorteil (6) transportiert wird, wobei das Detektorteil (6) zum Detektieren der durch den Einschlag (P1, P2) oder den Durchschlag (14) hervorgerufenen Markierung auf dem folienartigen, bewegbaren Sensorteil (1) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das folienartige bewegbare Sensorteil (1) eine Sensorfolie (1) ist, die zwischen mindestens zwei voneinander beabstandeten Transportrollen oder Führungsrollen (2, 3) aufgespannt ist, zwischen denen die Sensorfläche (13) angeordnet ist, wobei das folienartige bewegbare Sensorteil (1) eine Sensorfolie (1) ist, die mindestens als ein Endlosband (16, 16a, 16b) ausgeführt ist, wobei jedem Endlosband (16, 16a, 16b) ein Detektorteil (6) zugeordnet ist, wobei jedes Endlosband durch mindestens vier Umlenkrollen (4) so geführt wird, dass zwei parallele, dicht zueinander liegende Sensorflächen (13a, 13b) gebildet werden und wobei ein erstes, einem zulaufenden Weltraumteilchen (15) zugewandtes Endlosband (16a) und ein zweites, in Flugrichtung des Weltraumteilchens (15) gesehen hinter dem ersten Endlosband (16a) angeordnetes und von dem ersten Endlosband (16a) beabstandetes Endlosband (16b) vorhanden ist.
2. System (20) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Transportrollen oder Führungsrollen (2,3) eine einzige Sensorfläche (13) angeordnet ist, wobei eine erste Transportrolle oder Führungsrolle (2) in entgegengesetzter Transportrichtung (X) der Sensorfolie (1) angeordnet ist, wobei von dieser Transportrolle oder Führungsrolle (2) die Sensorfolie (1) abgerollt wird, und wobei eine zweite Transportrolle oder Führungsrolle (3) in Richtung der Transportrichtung (X) vorhanden ist, auf der die Sensorfolie (1) aufgerollt wird.
3. System (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Material der Sensorfolie (1) so beschaffen und/oder die Foliendicke so bemessen ist, dass diese von Weltraumteilchen (15) von mindestens 1 mm, insbesondere von mindestens 0,1 mm durchstoßbar ist.
4. System (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine effektive Sensorfläche (13) von mindestens 1 m², vorzugsweise von mehreren m², vorhanden ist.
5. System (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das System (20) eine mit jedem Detektorteil (6) signaltechnisch verbundene Auswerteelektronik zur Auswertung der Markierungen der auf jedem folienartigen, bewegbaren Sensorteil (1) treffenden Einschläge (P1, P2) oder Durchschläge (14) der Weltraumteilchen (15) aufweist.
6. Verfahren zur Bestimmung einer Anzahl von Weltraumteilchen (15) mit einem System (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die Schritte, i. Anordnen des beweglichen Sensorteils (1) an gegenüber im Weltraum fliegenden Weltraumteilchen (15) exponierter Position eines künstlichen Weltraumflugkörpers (17), ii. Bewegen des beweglichen Sensorteils (1) zu einem Detektorteil (6) iii. Erfassen der Markierung eines Einschlags (P1, P2) oder Durchschlags (14) auf dem beweglichen Sensorteil (1) mittels des Detektorteils (6).
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektorteil (6) die Lage der beiden Durchschläge (14) detektiert und mittels der Transportgeschwindigkeit des folienartigen, bewegbaren Sensorteils (1) der Zeitpunkt des Durchschlags (14) berechnet wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass durch Abgleich des Zeitpunkts des Durchschlags (14) mit aufgezeichneten Daten der Positionskontrolle des Weltraumflugkörpers (17) der Ort des Durchschlagsereignisses bestimmt wird.

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