DE10227968B4 - Lagerungssystem in einem Raumfahrzeug - Google Patents
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Abstract
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.
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 Satelliten.
- 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.
- Ein Lagerungssystem, das generell dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entspricht, ist beschrieben in WO 97/31823 A1. Dieses Lagerungssystem weist einen Experimentierraum auf, der an einer äußeren Halterung über von entgegengesetzten Seiten her wirkenden Gruppen aus jeweils zwei elastischen Körpern und zwei dämpfenden visko-elastischen Körpern aufgehängt ist. Durch die Dämpfung wird die Schwingungsamplitude des Experimentierraums verringert und die Wirkung von Vibrationen auf die zu untersuchende Probe wird gemildert.
- WO 97/31823 A1 beschreibt ein Lagerungssystem zur Anbringung eines Experimentierraums an einem Raumfahrzeug. Dabei sind sowohl die fahrzeugseitige Halterung als auch der Experimentierraum mit Permanentmagneten versehen, die an den Ecken angeordnet sind und ein berührungsloses Schweben des auf diese Weise durch Abstoßung zentrierten Experimentierraums bewirken. Dämpfungselemente sind dabei nicht vorhanden.
- In
DE 694 27 087 T2 ist ein automatisches Nivellier- und Lotinstrument beschrieben, bei dem an einer kardanischen Aufhängung ein Strahlprojektor mit einer Schraubenfeder aufgehängt ist. Der Strahlprojektor ist mit einer Wirbelstrombremse versehen, die Bewegungen des Strahlprojektors dämpft. Diese Wirbelstrombremse besteht aus einem U-förmigen Joch aus magnetischem Material, das eine Metallplatte umgreift. Dadurch wird eine senkrechte Aufhängung eines den Strahlprojektor tragenden Aufhängeelements und somit eine senkrechte Ausrichtung des Projektors erreicht. - 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:
-
1 eine perspektivische schematische Darstellung des Lagerungssystems, -
2 eine schematische Seitenansicht des Dämpfungssystems, -
3 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Federelements in einem Koordinatenraum. - Das in
1 dargestellte Lagerungssystem weist eine fahrzeugfeste Halterung10 auf, die aus einem geschlossenen Gehäuse oder einem offenen Rahmen bestehen kann. Die Halterung10 enthält hier zwei parallele Stirnplatten11 ,12 , die durch längslaufende Leisten13 starr miteinander verbunden sind und auf Abstand gehalten werden. - Innerhalb der Halterung
10 ist der Experimentierraum15 gelagert. Der Experimentierraum kann ebenfalls aus einem offenen Rahmen oder einem geschlossenen Gehäuse bestehen. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist der Experimentierraum zwei Stirnplatten16 ,17 auf, die parallel zueinander in geringem Abstand zu den Stirnplatten11 ,12 der Halterung10 verlaufen. - Der Experimentierraum
15 ist in der Halterung10 mit Federelementen18 gelagert. Vier solcher Federelemente18 greifen an den vier Ecken der Stirnplatte16 an und vier weitere Federelemente18 greifen an den vier Ecken der Stirnplatte17 an. Eines der Federelemente ist in3 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 Federelements18 ist fest an der Halterung10 angebracht. Dieser Abschnitt verläuft parallel zu der Ebene der jeweiligen Stirnplatte16 bzw.17 . An den Abschnitt a schließt sich ein Abschnitt b an, der rechtwinklig von der Ebene der Stirnplatte16 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 Stirnplatte16 bzw.17 verläuft. An dem Ende des Abschnitts c ist eine Ecke des Experimentierraums15 befestigt. Insgesamt sind acht solcher Federelemente18 vorhanden, wobei jeweils vier Federelemente an den vier Ecken der Stirnplatte16 und vier weitere Federelemente an den Ecken der Stirnplatte17 angreifen. Jedes der Federelemente18 ist einstückig ausgebildet. An den Abschnitt c kann sich ein weiterer Abschnitt d anschließen (3 ), der parallel zu dem Abschnitt b verläuft. Die Federelemente18 halten den Experimentierraum15 innerhalb der Halterung10 . 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 Permanentmagnete21 auf, die an der Stirnplatte16 bzw.17 des Experimentierraums15 befestigt sind, und eine Wirbelstromplatte22 , die an der Stirnplatte11 bzw.12 der Halterung10 befestigt ist. die Permanentmagnete21 des Dämpfungselements20 sind in einer gemeinsamen Ebene angeordnet und sie liegen der Wirbelstromplatte22 mit geringem Abstand gegenüber. Die Wirbelstromplatten22 bestehen aus nicht-magnetischem elektrisch leitfähigem Material, insbesondere aus Aluminium oder Kupfer. - In
2 ist die Anbringung der Permanentmagnete an dem Experimentierraum15 schematisch dargestellt. An einer Stirnplatte17 sind Einstellelemente23 vorgesehen, die jeweils einen Permanentmagneten21 tragen. Durch Justieren der Einstellelemente23 kann die Position des Permanentmagneten verändert werden, und insbesondere der Abstand des Permanentmagneten von der Wirbelstromplatte22 . - Zwischen den Permanentmagneten
21 und der Wirbelstromplatte22 befindet sich eine stoßdämpfende Schicht24 aus einem Elastomermaterial. Diese stoßdämpfende Schicht24 ist vorzugsweise an dem Permanentmagneten21 befestigt. Die Befestigung kann durch Kleben erfolgen. Andererseits ist es auch möglich, die stoßdämpfende Schicht an der Wirbelstromplatte22 zu befestigen.
Claims (9)
- 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. - 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. - Lagerungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federelemente (
18 ) und Dämpfungselemente (20 ) Starrkörper-Eigenfrequenzen von weniger als 5 Hz ergeben. - 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. - Lagerungssystem nach einem der Ansprüche 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Wirbelstromplatten (
22 ) an einander gegenüberliegend angeordneten parallelen Seiten der Halterung (10 ) angeordnet sind. - 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. - Lagerungssystem nach einem der Ansprüche 2–7, dadurch gekennzeichnet, dass jede Stabfeder mindestens drei rechtwinklig zueinander verlaufende gerade Abschnitte (a, b, c) aufweist.
- Lagerungssystem nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (
21 ) relativ zu den Wirbelstromplatten (22 ) einstellbar sind. - Lagerungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Permanentmagneten (
21 ) und der zugehörigen Wirbelstromplatte (22 ) eine stoßdämpfende Schicht (24 ) angeordnet ist.
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