DE10241618B4

DE10241618B4 - Verfahren zum Stauen und Entfalten großflächiger Folien

Info

Publication number: DE10241618B4
Application number: DE10241618A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr. Lura; Wolfgang Stadthaus
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: DE10241618A1

Abstract

Verfahren zum Stauen und Entfalten großflächiger Folien, insbesondere von Segelflächen für Sonnensegler, wobei der Sonnensegler ein Segel aufweist, die aus mindestens drei Einzelfolien besteht, die durch von einem Zentralmodul ausgehende aufrollbare Booms voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass
die Segelflächen zum Stauen aus Folienbahnen zusammengefügt und im Verlauf des Zusammenfügens zu Wickel aufgerollt werden,
die Wickel durch eine senkrecht zur Längsachse der Wickel angreifende Gabel von der Mitte heraus zu Coils aufgerollt werden,
die Coils in Containern gestaut werden, welche im Entfaltungsmodul des Zentralmoduls des Sonnenseglers eingebracht werden,
die Entfaltung der Segelflächen derart erfolgt, dass die Coils aus den Staucontainern im Entfaltungsmodul über an den Außenspitzen der Segelflächen angeordneten Seilen bis an die Endposition an den Spitzen der Booms herausgezogen werden, wo sie als Wickel gespannt sind,
wobei die Wickel über ein mittig angeordnetes Seil zum Boom-Zentrum abgerollt werden bis zur vollständigen Aufspannung der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stauen und Entfalten großflächiger Folien, insbesondere von Segelflächen für Sonnensegler, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solarsegler oder Sonnensegler sind Raumfahrtgeräte. In der Raumfahrt werden Antriebssysteme entwickelt, die den Lichtdruck der Sonnenstrahlung ausnutzen. Diese nutzen die Impulsübertragung von Photonen auf einen passiven, großflächigen Reflektor als Antriebskonzept. Infolgedessen kann auf ein aktives Antriebssystem sowie den dafür benötigten Treibstoff weitgehend verzichtet werden, was die in den Orbit zu befördernde Masse stark reduziert. Grundlage dieser Antriebe ist ein sehr großes Sonnensegel, das aus äußerst dünnen und einseitig hoch reflektierenden Folien besteht. Technisch ist es erforderlich, hierfür sehr großflächige Segelfolien einzusetzen, die beispielsweise Abmessungen von 100 m × 100 m und mehr besitzen. Derartige Flächen können aber nicht in aufgefalteter Form in den Orbit transportiert werden. Für die Überführung in den Orbit müssen deshalb zusammengefaltete Strukturen eingesetzt werden. Ein grundsätzliches Problem besteht darin, die großflächigen Segel für den Raketenaufstieg in der Startphase so zu stauen, dass ein möglichst geringes Volumen entsteht und das gepackte Folienpaket sich bei Enthermetisierung nicht aufbläht. Während des Entfaltungsvorgangs werden die dreieckförmigen Segelteilflächen zu einem Sonnensegler aufgespannt.

In der DE 29 47 656 A1 ist daran gedacht worden, fachwerkähnliche Strukturen mit entsprechend leichtgängig auffaltbaren Scharnieren einzusetzen, zwischen denen dann in einer noch zu entwickelnden Form die Segel aufzuspannen wären. Die stabilen Teile der Strukturen, die etwa den Masten oder Bäumen eines klassischen Segelschiffes entsprechen, werden in der Fachsprache meist englisch "boom" genannt. Derartige Konstruktionen sind jedoch empfindlich, zumal beim Auffalten im Orbit kein Hilfspersonal zur Verfügung steht, das eventuellen Problemen begegnen könnte. Dass diese Problematik sehr real ist und bei Nichtauffalten ein Schaden in vielfacher Millionenhöhe entstehen kann, ist aus fehlgeschlagenen Versuchen mit derartigen Auffaltmechanismen bei anderen Raumfahrtkörpern auch in der Öffentlichkeit recht bekannt geworden. Auch die zusätzlichen Gewichte durch die Scharniere stellen ein Problem dar.

Aus der DE-AS 15 56 444 ist ein Lapprohr zur Verwendung in der Raumfahrtindustrie bekannt. Es besteht aus zwei Lapprohrstreifen, die einen Schlitzwinkel bilden und aus einem Federmaterial bestehen. Beide Lapprohrstreifen sind in ihrer Längsrichtung um die Längsachse herum gebogen und ineinander formschlüssig eingeschoben. Die beiden Stahlstreifen können flach und quer zu ihrer Längsachse auf einer Trommel aufgewickelt werden, beim Abwickeln entsteht dann ein formschlüssiger runder Querschnitt von gewisser Stabilität. Derartige Konstruktionen sind recht stabil, aber auch schwer, während die Biege und Torsionssteifigkeit nur begrenzte Werte annehmen kann.

Aus der DE 198 25 785 C2 ist ein Solarsegler mit einer Segelfolie und mehreren diese Segelfolie aufspannenden Faltrohren bekannt, bei dem die Faltrohre eine aufrollbare Faltrohrstruktur besitzen und bei denen der Querschnitt jedes Faltrohres bi-convex ist und aus zwei Halbschalen besteht. Die beiden Halbschalen sind in den aneinander angrenzenden Flächenbereichen planar ausgebildet und es schließen sich an die planaren Flächenbereiche jeweils nach außen gebogene Flächenbereiche an. Diese sind über convex elliptisch geformte Flächenbereiche miteinander verbunden. Im zusammengefalteten Zustand des Solarseglers befinden sich sowohl die Segelfolie als auch die aufgerollte Faltrohrstruktur in einem Zentralmodul. Dieses wird dann in den Orbit mit üblichen Mitteln befördert. Dort erst entfaltet sich die Segelfolie. Nach der vollständigen Entfaltung der Segelfolie im Orbit liegt das Zentralmodul im Schnittpunkt der beiden Flächendiagonalen, die von der bevorzugt quadratischen Segelfolie aufgespannt werden. Die Segelfolie wird über die insgesamt vier in den jeweiligen Diagonalen sich vom Zentralmodul zu den Ecken abrollenden Faltrohre vorgespannt.

In der DE 101 09 529 A1 wird eine Vorrichtung mit einem über seine wesentliche Länge im Querschnitt flach zusammengedrückten und der Länge nach zu einem Wickel aufgerollten Mast in Leichtbauweise für ein Sonnensegel oder dergleichen mit Mitteln zum Entfalten des Mastes aus dem Wickel in seine ausgerollte Stellung mit über seine gesamte Länge wieder aufgeweitetem Querschnitt beschrieben. Es wird ein Sonnensegler gezeigt, der aus vier Teilsegeln besteht, die durch von einem Zentralmodul ausgehenden aufrollbaren Booms voneinander getrennt sind.

Die Teilfolien sind dabei fest an den ausrollbaren Booms befestigt.

Ein weiteres Verfahren ist unter der Bezeichnung "frog leg" – Faltung bekannt geworden und löst zwar das Problem an sich, lässt sich aber wegen der extrem dünnen und großflächigen Segel nur sehr aufwändig in mühevoller Handarbeit praktizieren und führt außerdem zu einer erheblichen Faltenbildung, die wegen der sich dadurch verschlechternden optischen Parameter grundsätzlich unerwünscht ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zum Stauen und Entfalten von Segelflächen für Sonnensegler zu verbessern, wobei die Faltenbildung beim Stauen verringert werden soll und das Entfalten sicher unter den Bedingungen des Hochvakuums und der Schwerelosigkeit ermöglicht werden soll.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Ansprüchen 2 bis 4 enthalten.

Demnach beinhaltet die Erfindung ein Verfahren zum Stauen und Entfalten großflächiger Folien, insbesondere von Segelflächen für Sonnensegler, wobei der Sonnensegler ein Segel aufweist, die aus mindestens drei Einzelfolien besteht, die durch von einem Zentralmodul ausgehende aufrollbare Booms voneinander getrennt sind, wobei die Segelflächen zum Stauen aus Folienbahnen zusammengefügt und im Verlauf des Zusammenfügens zu Wickel aufgerollt werden.

Die Wickel werden dann durch eine senkrecht zur Längsachse der Wickel angreifende Gabel von der Mitte heraus zu Coils aufgerollt.

Nach einem weiteren Merkmal werden die Wickel über einen Kern aufgerollt, wobei der Kern nach einem besonderen Merkmal der Erfindung aufblasbar ist und nach dem Aufrollen des Wickels aus dem Wickel wieder entfernt wird. Das Aufrollen der Wickel zu Coils erfolgt nach einem bevorzugten Merkmal unter Vakuumbedingungen in einer Vakuumröhre.

Die Coils werden in Containern gestaut, welche anschließend in ein sogenanntes Entfaltungsmodul des Zentralmoduls des Sonnensegels eingebracht werden. Dieser Prozess läuft unter Vakuumbedingungen ab und ermöglicht ein minimales Endvolumen, ohne Lufteinschlüsse im Coil. Vorteilhaft ist weiter, dass die Faltenbildung nur in eine Richtung erfolgt, wobei die Falten nur in der Richtung entstehen, in der sie später im entfalteten Zustand zur Stabilisierung der Fläche beitragen.

Die Entfaltung der Segelflächen unter den Bedingungen des Hochvakuums unter Schwerelosigkeit erfolgt derart, dass die Coils aus den Staucontainern im Entfaltungsmodul über an den Außenspitzen der Segelflächen angeordneten Seilen bis an die Endposition an den Spitzen der Booms herausgezogen werden. Dort sind sie als Wickel gespannt. Die Wickel werden dann über ein mittig angeordnetes Seil zum Boom-Zentrum abgerollt bis zur vollständigen Aufspannung der jeweiligen Segelteilfläche.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine schematische Ansicht eines zum Coil aufrollbaren Wickels;
2: schematische Darstellung eines Sonnenseglers mit ausgefahrenen Booms in der Ausgangsposition für die Entfaltung der Segelfolien;
3: schematische Darstellung eines Sonnenseglers mit ausgefahrenen Booms und entrollten Wickeln;
4: schematische Darstellung eines Sonnenseglers mit voll entfalteter Segelfläche.
In 4 ist der Solarsegler in seiner aufgefalteten betriebsbereiten Stellung im Orbit dargestellt. Diese Stellung nimmt er ein, nachdem er vollständig aufgefaltet ist. Er besitzt eine Segelfolie mit einer Fläche von z.B. 10 000 m². Diese Fläche wird durch Aufspannung eines Quadrates mit einer Kantenlänge von jeweils 100 m erreicht. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auch noch größere Segel stauen bzw. falten. Selbstverständlich sind je nach Funktionsweise, Typ oder Last auch andere geometrische Formen und Kantenlängen möglich. Eine quadratische Anordnung ist jedoch gegenüber möglichen dreieckigen, fünfeckigen, achteckigen oder anderen Formen bevorzugt, da sich damit ein besonders günstiges Verhältnis von Fläche zu Masse unter Berücksichtigung der zusätzlichen, nicht antriebsbeitragenden Booms ergibt.
Im Zentrum der Segelfolie 1 befindet sich der Mittelpunkt, der auch Schnittpunkt der beiden Flächendiagonalen der aufgespannten Segelfolie 1 ist. In diesem Mittelpunkt ist ein Zentralmodul 2 angeordnet, das während des Transportes in den Weltraum die Nutzlast, die Meßgeräte oder sonstige zu transportierende Raumfahrtelemente enthält und – wie später erörtert wirdauch die faltbaren Booms und die sogenannten Entfaltungsmodule 7, 8, 9, 10, die die gefalteten einzelnen Segelfolien 1a, 1b, 1c, und 1d aufnehmen. Vom Mittelpunkt gehen die Flächendiagonalen aus, auf denen jeweils die Booms 3, 4, 5, 6 (Masten oder Bäume) angeordnet sind. Dabei handelt es sich vorzugsweise um Faltrohre mit einer aufrollbaren Faltrohrstruktur. Jedes Faltrohr 3, 4, 5, 6 verbindet den Mittelpunkt mit einem der Eckpunkte der Segelfolie 1. In der 2 sind die Faltrohre 3, 4, 5, 6 bereits vollständig abgerollt und im in der 3 dargestellten Zustand spannen sie die als Wickel 11, 12, 13 und 14 entrollten Folien vor. Die Segelfolie 1 besteht aus vier voneinander getrennten, gleichschenkligen dreieckigen Einzelfolien 1a, 1b, 1c und 1d. Jede dieser Folien ist mit zwei Außenkanten an den ausgefahrenen Endpunkten der beiden zu ihr benachbarten Faltrohre (Booms) und mit dem dritten Eckpunkt im Bereich des Mittelpunktes der Flächendiagonale befestigt. Zwischen den befestigten Punkten längs der Katheten der Dreiecke sind die jeweiligen Einzelfolien frei und unbefestigt.
Ein Ziel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, den Prozess des Stauens automatisiert unter Vakuumbedingungen abzuwickeln und die Faltenbildung zu verringern. Für den Stauvorgang wird dies nun dadurch erreicht, dass die Segelteilflächen 1a, 1b, 1c und 1d, die aus Folienbahnen zusammengefügt werden, im Verlauf des Zusammenfügens über einen zylindrischen Kern zu Wickel 11, 12, 13 und 14 aufgerollt werden. Die Wickel 11, 12, 13 und 14 werden gemäß 1 nach Entfernen der Kerne in einer Vakuumröhre so positioniert, dass eine senkrecht zur Längsachse der Wickel in der Rohrwand gelagerte Gabel 15 die Wickel von der Mitte heraus zu Coils (Spulen) 16, 17, 18, und 19 auf ein dosenförmiges Volumen zusammenrollt, wobei die Coils in Containern gestaut werden (nicht dargestellt). Diese werden dann in die Entfaltungsmodule 7, 8, 9, und 10 des Zentralmoduls 2 des Sonnenseglers eingebracht. Der beschriebene Prozess läuft unter Vakuumbedingungen ab und ermöglicht ein minimales Endvolumen, ohne Lufteinschlüsse im Coil. Das Verfahren bewirkt die Entstehung von Falten in den Segelfolien in lediglich einer Richtung, die später im entfalteten Zustand zur Flächenstabilisierung beitragen. Das Verfahren des Entfaltens unter den Bedingungen des Hochvakuums und der Schwerelosigkeit wird wie folgt ausgeführt. Parallel zu den ausgefahrenen Booms 3, 4, 5, und 6 sind dünne über Rollen 21 geführte Kunststoffseile 20 angeordnet, die an den Außenspitzen der Segeleinzelflächen befestigt sind (2). Durch eine Zugkraft an den Kunststoffseilen 20 wird das jeweilige Coil aus einem Staucontainer im Entfaltungsmodul herausgezogen und befindet sich dann als Wickel gespannt in der Endposition an den Enden bzw. Spitzen der Booms (3).
Die Wickel werden anschließend über ein mittig angeordnetes Seil 22 zum Boom-Zentrum ( Richtung Zentralmodul 2) rotarisch abgerollt. Damit sind die jeweiligen Segelteilflächen vollständig aufgespannt.

Claims

Verfahren zum Stauen und Entfalten großflächiger Folien, insbesondere von Segelflächen für Sonnensegler, wobei der Sonnensegler ein Segel aufweist, die aus mindestens drei Einzelfolien besteht, die durch von einem Zentralmodul ausgehende aufrollbare Booms voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Segelflächen zum Stauen aus Folienbahnen zusammengefügt und im Verlauf des Zusammenfügens zu Wickel aufgerollt werden, die Wickel durch eine senkrecht zur Längsachse der Wickel angreifende Gabel von der Mitte heraus zu Coils aufgerollt werden, die Coils in Containern gestaut werden, welche im Entfaltungsmodul des Zentralmoduls des Sonnenseglers eingebracht werden, die Entfaltung der Segelflächen derart erfolgt, dass die Coils aus den Staucontainern im Entfaltungsmodul über an den Außenspitzen der Segelflächen angeordneten Seilen bis an die Endposition an den Spitzen der Booms herausgezogen werden, wo sie als Wickel gespannt sind, wobei die Wickel über ein mittig angeordnetes Seil zum Boom-Zentrum abgerollt werden bis zur vollständigen Aufspannung der Segelteilfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickel über einen Kern aufgerollt werden.
Verfahren nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern aufblasbar ist und nach dem Aufrollen des Wickels aus dem Wickel entfernt wird.
Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufrollen der Wickel zu Coils unter Vakuumbedingungen in einer Vakuumröhre erfolgt.