DE10227968A1 - Lagerungssystem in einem Raumfahrzeug - Google Patents

Abstract

In einem Raumfahrzeug ist eine fahrzeugfeste Halterung (10) vorgesehen, in der ein Experimentierraum (15) derart aufgehängt ist, dass fahrzeugseitige Gravitationen den Experimentierraum möglichst wenig beeinflussen. Zu diesem Zweck ist der Experimentierraum (15) an Federn (18) aufgehängt, wobei Dämpfungselemente (20) das Feder-Masse-System dämpfen. Die Dämpfungselemente (20) weisen Permanentmagnete (21) auf, die vorzugsweise an dem Experimentierraum (15) befestigt sind, und Wirbelstromplatten (22), die vorzugsweise an der Halterung (10) befestigt sind. Die Federelemente (18) bestehen aus Stabfedern aus winklig zueinander verlaufenden Abschnitten (a, b, c).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Lagerungssystem zur Anbringung eines Experimentierraums an einem Raumfahrzeug, mit einer fahrzeugfesten Halterung, an der der Experimentierraum über Federelemente und Dämpfungselemente angebracht ist.
• Obwohl unter Weltraumbedingungen generell Schwerelosigkeit herrscht sind Raumfahrzeuge dennoch nicht völlig gravitationsfrei. In einem Raumfahrzeug entsteht Mikrogravitation durch Bewegungen von Körpern innerhalb des Raumfahrzeugs, durch Richtungsänderungen, Lageregelung und ähnliche Ereignisse. Eine weitere Ursache für Mikrogravitation liegt in der Restreibung des Raumfahrzeugs an der Atmosphäre. Die verschiedenen Gravitationsursachen erzeugen Mikrogravitation unterschiedlicher Frequenzen.
• Unter einem Raumfahrzeug sind alle von Menschen geschaffenen Objekte im Weltraum zu verstehen, einschließlich Raumkapseln, Raumstationen und Satelitten.
• In einem Raumfahrzeug lassen sich Experimente unter Schwerelosigkeit durchführen, beispielsweise um die Materialeigenschaften von Substanzen zu erforschen. Dabei wirkt sich die erwähnte Mikrogravitation oft störend aus, insbesondere bei niedrigen Frequenzen. Externe und interne Beeinflussungen der Gravitation wirken sich auf den Körper des Raumfahrzeugs aus. Es sind daher Systeme entwickelt worden, die einen vom Körper des Raumfahrzeugs entkoppelten Experimentierraum aufweisen. Der Experimentierraum ist über ein Feder- und Dämpfungssystem an dem Raumfahrzeug angebracht, wodurch auf das Raumfahrzeug wirkende Schwingungsanregungen von dem Experimentierraum ferngehalten werden.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lagerungssystem zur Anbringung eines Experimentierraums an einem Raumfahrzeug zu schaffen, das eine hinreichende Schwingungsisolation in allen Bewegungsrichtungen aufweist.
• Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen. Hiernach bestehen die Dämpfungselemente jeweils aus einer Anordnung von Permanentmagneten und einer Wirbelstromplatte. Durch die Kombination aus passiven Permanentmagneten und einer Wirbelstromplatte aus einem leitfähigen Material wird eine berührungslose Dämpfung nach dem Wirbelstromprinzip erreicht. Die Wirbelstromplatte ist elektrisch leitend, hat jedoch keine permamentmagnetischen Eigenschaften. Bei Relativbewegung eines Magnetfeldes in Bezug auf ein leitfähiges Material wird in dem Material ein Strom induziert, welcher seiner Ursache entgegenwirkt. Dies führt bei einem relativ zu dem leitfähigen Material bewegten Magneten zu einer Kraft, die der Bewegungsrichtung entgegenwirkt und somit eine Dämpfung in dieser Achse bewirkt. Die Magnetdämpfung wirkt in allen Bewegungsrichtungen zwischen Magnet und leitfähigem Material, also bei Annäherung, Parallelverschiebung oder einer Überlagerung dieser Bewegungen.
• Das erfindungsgemäße Lagerungssystem weist Federelemente und Dämpfungselemente auf, welche beide passiv wirken. Dabei weist das Dämpfungssystem keine federnden Eigenschaften auf und das Federungssystem hat nur sehr geringe Strukturdämpfungen. Die beiden Bestandteile Federung und Dämpfung wirken somit praktisch unabhängig voneinander. Dadurch ist eine genaue Berechenbarkeit des Schwingungs- und des Isolationsverhaltens z. B. mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) möglich. Gerade die genaue theoretische Vorausberechnung der Eigenfrequenzen, Eigenschwingungsformen und der modalen Dämpfungen ist eine wesentliche Voraussetzung für die konstruktive Realisierung eines Lagerungssystems, welche unter allen Betriebsbedingungen eine hinreichende mechanische Entkopplung von mechanischen Störungen ermöglicht.
• Es ist nicht erforderlich, dass der Experimentierraum von einem geschlossenen Gehäuse umgeben ist. Unter Experimentierraum wird ein Raum verstanden, der auch durch einen offenen Rahmen begrenzt sein kann. An diesem Experimentierraum wird die zu untersuchende Probe befestigt.
• Zur Gewährleistung einer hinreichenden Isolationswirkung zur Durchführung der Experimente ohne wesentliche Beeinflussung durch das Raumfahrzeug besitzt das Feder-, Masse-System des Experimentes in seinem Lagerungssystem Starrkörper-Eigenfrequenzen unter 5 Hz. Dabei sind vorzugsweise die Federelemente Stabfedern aus mindestens zwei unter einem Winkel von mindestens 45° verlaufenden geraden Abschnitten. Es werden mindestens drei Federn im Raum so angeordnet, dass sich die genannten Eigenfrequenzen der Starrkörperbewegungen ergeben.
• Bei der konstruktiven Gestaltung des Lagerungssystems ist es vorteilhaft, die Permanentmagnete aufgrund ihres geringeren Gewichts am Experimentierraum anzuordnen, der schwingungsmäßig zu isolieren ist. Die Wirbelstromplatten können fahrzeugfest angeordnet werden. Die Auslegung und Anordnung der Permanentmagnete erfolgt so, dass eine Lehrsche Dämpfung von mindestens 2% für alle Starrkörper-Eigenformen erreicht wird.
• Mit dieser Auslegung des Lagerungssystems ist es möglich, bei den in der Raumfahrt auftretenden mechanischen Schwingungsanregungen das Experiment effektiv gegen Störungen zu schützen, so dass die Versuche davon weitgehend unbeeinflusst durchgeführt werden können. Im Rahmen der Erfindung besteht auch die Möglichkeit die Permanentmagnete fahrzeugfest und die Wirbelstromplatten am Experimentierraum anzubringen. Besonders vorteilhaft ist, dass das erfindungsgemäße Lagerungssystem im Vergleich zu aktiven Lagerungssystemen erhebliche Gewichts- und Kostenvorteile bei generell vergleichbarer Effizienz aufweist.
• Die experimentelle Überprüfung der Eigenschaften des Lagerungssystems kann auch unter Gewichteinfluss auf der Erdoberfläche erfolgen, in dem eine gewichtskompensierende Federung im Schwerpunkt des Experimentierraums angeordnet wird. Im Rechenmodell sind dann diese zusätzlichen Federungseigenschaften mit zu berücksichtigen, um die Einflüsse noch durchzuführender Änderungen am Lagerungssystem auf das Isolationsverhalten vorab theoretisch beurteilen zu können.
• Zur Einsparung von Bauvolumen können sowohl die Federelemente als auch die Dämpfungselemente am oder nahe am Experimentierraum angebracht werden. Dabei können die Abstände so klein gewählt werden, dass gerade noch die erforderliche Freigängigkeit des Experimentierraums gewährleistet ist.
• Für die Federelemente werden schwach strukturgedämpfte Materialien benutzt, wie z. B. Metalle oder Faserverbundwerkstoffe.
• Die Auslegung des Lagerungssystems erfolgt zweckmäßigerweise so, dass auch Veränderungen der Masseverteilung während des Experimentes berücksichtigt werden. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass in dem Experiment motorisch bewegbare Teile vorhanden sind, die während des Ablaufs eine Lagerveränderung erfahren.
• Die Erfindung ermöglicht auch eine schwingungstechnisch optimale Auslegung des Lagerungssystems auf eine bestimmte Experimentierrichtung, die im Hinblick auf bestimmte Störungen besonders empfindlich reagiert, zu Lasten der weniger wichtigen Raumachsen. Ferner kann der Einfluss von Kabeln, Schläuchen und ähnlichem bei der Auslegung der Federungselemente und der Dämpfungselemente des Entkopplungssystems berücksichtigt werden.
• Im Schwerpunkt des mit dem Experiment beladenen Experimentierraums kann eine gewichtskompensierende Feder zur Überprüfung und Optimierung der Komponenteneigenschaften bei Vorversuchen, beispielsweise an der Erdoberfläche, angeordnet werden.
• Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine perspektivische schematische Darstellung des Lagerungssystems,
• Fig. 2 eine schematische Seitenansicht des Dämpfungssystems,
• Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Federelements in einem Koordinatenraum.
• Das in Fig. 1 dargestellte Lagerungssystem weist eine fahrzeugfeste Halterung 10 auf, die aus einem geschlossenen Gehäuse oder einem offenen Rahmen bestehen kann. Die Halterung 10 enthält hier zwei parallele Stirnplatten 11, 12, die durch längslaufende Leisten 13 starr miteinander verbunden sind und auf Abstand gehalten werden.
• Innerhalb der Halterung 10 ist der Experimentierraum 15 gelagert. Der Experimentierraum kann ebenfalls aus einem offenen Rahmen oder einem geschlossenen Gehäuse bestehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Experimentierraum zwei Stirnplatten 16, 17 auf, die parallel zueinander in geringem Abstand zu den Stirnplatten 11, 12 der Halterung 10 verlaufen.
• Der Experimentierraum 15 ist in der Halterung 10 mit Federelementen 18 gelagert. Vier solcher Federelemente 18 greifen an den vier Ecken der Stirnplatte 16 an und vier weitere Federelemente 18 greifen an den vier Ecken der Stirnplatte 17 an. Eines der Federelemente ist in Fig. 3 in einem rechtwinkligen Koordinatensystem mit den Achsen X, Y und Z dargestellt. Das Federelement ist eine Stabfeder, insbesondere aus Metall. Seine einzelnen Abschnitte wirken nach Art von Biegebalken. Ein erster Abschnitt a des Federelements 18 ist fest an der Halterung 10 angebracht. Dieser Abschnitt verläuft parallel zu der Ebene der jeweiligen Stirnplatte 16 bzw. 17. An den Abschnitt a schließt sich ein Abschnitt b an, der rechtwinklig von der Ebene der Stirnplatte 16 bzw. 17 absteht. Dem Abschnitt b folgt ein dritter Abschnitt c, der rechtwinklig zu jedem der Abschnitte a und b von parallel zu der Ebene der Stirnplatte 16 bzw. 17 verläuft. An dem Ende des Abschnitts c ist eine Ecke des Experimentierraums 15 befestigt. Insgesamt sind acht solcher Federelemente 18 vorhanden, wobei jeweils vier Federelemente an den vier Ecken der Stirnplatte 16 und vier weitere Federelemente an den Ecken der Stirnplatte 17 angreifen. Jedes der Federelemente 18 ist einstückig ausgebildet. An den Abschnitt c kann sich ein weiterer Abschnitt d anschließen (Fig. 3), der parallel zu dem Abschnitt b verläuft. Die Federelemente 18 halten den Experimentierraum 15 innerhalb der Halterung 10. Der Experimentierraum bildet mit diesen Federelementen ein Feder-Masse- System. Es sind auch anders gestaltete Federelemente möglich, wie z. B. bestehend aus geraden oder gekrümmten Teilsegmenten, die auch unter Winkeln ungleich 90° zueinander angeordnet sind.
• Zur Schwingungsdämpfung sind Dämpfungselemente 20 vorgesehen. Jedes Dämpfungselement weis mehrere Permanentmagnete 21 auf, die an der Stirnplatte 16 bzw. 17 des Experimentierraums 15 befestigt sind, und eine Wirbelstromplatte 22, die an der Stirnplatte 11 bzw. 12 der Halterung 10 befestigt ist. die Permanentmagnete 21 des Dämpfungselements 20 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und sie liegen der Wirbelstromplatte 22 mit geringem Abstand gegenüber. Die Wirbelstromplatten 22 bestehen aus nichtmagnetischem elektrisch leitfähigem Material, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer.
• In Fig. 2 ist die Anbringung der Permanentmagnete an dem Experimentierraum 15 schematisch dargestellt. An einer Stirnplatte 17 sind Einstellelemente 23 vorgesehen, die jeweils einen Permanentmagneten 21 tragen. Durch Justieren der Einstellelemente 23 kann die Position des Permanentmagneten verändert werden, und insbesondere der Abstand des Permanentmagneten von der Wirbelstromplatte 22.
• Zwischen den Permanentmagneten 21 und der Wirbelstromplatte 22 befindet sich eine stoßdämpfende Schicht 24 aus einem Elastomermaterial. Diese stoßdämpfende Schicht 24 ist vorzugsweise an dem Permanentmagneten 21 befestigt. Die Befestigung kann durch Kleben erfolgen. Andererseits ist es auch möglich, die stoßdämpfende Schicht an der Wirbelstromplatte 22 zu befestigen.

Claims (9)

1. Lagerungssystem zur Anbringung eines Experimentierraums (15) an einem Raumfahrzeug, mit einer fahrzeugfesten Halterung (10), an der der Experimentierraum (15) über Federelemente (18) und Dämpfungselemente (20) angebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungselemente (20) jeweils aus mindestens einem Permanentmagneten (21) und einer Wirbelstromplatte (22) bestehen.

2. Lagerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (18) Stabfedern aus mindestens zwei unter einem Winkel von mindestens 45° verlaufenden geraden Abschnitten (a, b, c) sind.

3. Lagerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (18) und Dämpfungselemente (20) Starrkörper-Eigenfrequenzen von weniger als 5 Hz ergeben.

4. Lagerungssystem nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (21) an dem Experimentierraum (15) und die Wirbelstromplatten (22) an der Halterung (10) befestigt sind.

5. Lagerungssystem nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wirbelstromplatten (22) an einander gegenüberliegend angeordneten parallelen Seiten der Halterung (10) angeordnet sind.

6. Lagerungssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Wirbelstromplatten (22) an den zu den ersten Seiten rechtwinklig angeordneten beiden Seiten der Halterung (10) angeordnet sind.

7. Lagerungssystem nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stabfeder mindestens drei rechtwinklig zueinander verlaufende gerade Abschnitte (a, b, c) aufweist.

8. Lagerungssystem nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (21) relativ zu den Wirbelstromplatten (22) einstellbar sind.

9. Lagerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Permanentmagneten (21) und der zugehörigen Wirbelstromplatte (22) eine stoßdämpfende Schicht (24) angeordnet ist.