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Die
Erfindung betrifft ein seilgefesseltes Satellitensystem für Orbitalstationen,
wie es auch unter der Bezeichnung Tether-System bekannt geworden ist.
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Obwohl
in der Vergangenheit bereits eine Vielzahl von Studien zur sogenannten
Tether-Technik und damit für
Systeme dieser Art erarbeitet worden sind, ist es bisher nur zu
sehr wenigen Erprobungen in der Praxis gekommen. Raumflug- Missionen,
in denen derartige Erprobungen durchgeführt wurden, haben infolge einer
Reihe von Pannen durchweg nicht die erwarteten Ergebnisse erbracht.
So sind Tether-Missionen der Raumfähren "Atlantis" aus dem Jahr 1992 und "Columbia" aus dem Jahr 1996
bekannt geworden, bei denen entweder die abgespulte Seillänge nur
einen Bruchteil der insgesamt möglichen
Länge von
etwa 20 000 Metern betrug oder aber bei denen wegen eines Seilbruches
innerhalb des Auslegers der Fesselsatellit vollständig verloren ging.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein seilgefesseltes Satellitensystem bereitzustellen,
bei dem ein störungsfreies
Aussetzen und Wiedereinholen der seilgefesselten Satelliten gewährleistet
ist.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch ein Satellitensystem mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen des
erfindungsgemäßen Satellitensystems
sind in den weiteren Ansprüchen
angegeben.
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Das
Satellitensystem nach der Erfindung zeichnet sich durch vielseitige
Nutzungsmöglichkeiten
aus. So kann es wahlweise für
die drei Funktionen des Aussetzens von Satelliten, der Bereitstellung von
kinetischer Energie und für
Bahnanhebungen eingesetzt werden. Diese Funktionen können zu
beliebigen Zeiten und mit nur einem Basisaufbau durchgeführt werden,
nachdem jeweils entsprechende Umrüstarbeiten vorgenommen worden
sind. Eine vierte Nutzungsmöglichkeit
des erfindungsgemäßen Satellitensystem
besteht in der Beförderung
von Personen.
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Bei
herkömmlichen
Tether-Anordnungen, die jeweils aus nur einem abzuspulenden Laufseil
mit nur einem Tochtersatelliten bestehen, müssen für den Windenantrieb aufwendige
Steuergesetze vorgesehen werden. Der Grund besteht darin, daß die Pendelschwingungen
des Satelliten, auch als In-Plane-Librationen bezeichnet, begrenzt
werden müssen.
Sofern eine solche Begrenzung nicht erfolgt, droht die Gefahr des
Umschlagens des Satelliten, wobei sich letztlich das Seil um die
Station herumwickeln kann. Bei dem Satellitensystem nach der Erfindung
ist hingegen vorgesehen, daß zwei
große
End massen, die wegen der großen
Seillänge
ein großes Massenträgheitsmoment
aufweisen, über
Tragseile mit der Raumstation verbunden sind, wodurch die von der
Corioliskraft abhängigen
In-Plane-Librationen auf ein Minimum reduziert werden und wobei
infolge spezieller Bewegungsgesetze für die einzelnen Massen eine
nahezu vollständige
Kompensation dieser Pendelbewegungen möglich ist.
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Bei
Raumstationen ist zudem die Gewinnung elektrischer Energie über Solarpanel
während
der Schattenphasen unterbrochen. Da die Operationen des erfindungsgemäßen Satellitensystems
jedoch vom Sonnenstand unabhängig
sind, kann damit auch während
der Schattenphasen Energie in Form von kinetischer Energie, die
auch als Generatorantrieb einsetzbar ist, erzeugt werden. Durch
Anwendung besonderer Steuergesetze für die winde lassen sich zudem
vielfältige
Energiekombinationen wählen.
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Orbitalstationen
erfahren ferner infolge verschiedener äußerer Einflüsse, insbesondere durch atmosphärische Reibung,
ein kontinuierliches Abbremsen und damit verbunden einen ständigen Abstieg
in eine erdnähere
Umlaufbahn. Bei herkömmlichen
Systemen werden daher zur Bahnanhebung Schubdüsen eingesetzt, die Treibstoff
verbrauchen, der mit Energieaufwand vorher in den Orbit transportiert
werden muß und
der nach dem Verbrauch unwiederbringlich verloren ist. Bei den Operationen
des Satellitensystems nach der Erfindung, wie einem Satellitenausstoß oder der
Bereitstellung von kinetischer Energie, ergeben sich jedoch von
selbst Bahnabsenkungen und -anhebungen. Diese haben infolge der
Massenverhältnisse
nur eine geringe Schwankungsbreite und heben sich in der Regel annähernd auf.
Jedoch ist eine effek tive Anhebung der Bahn der Orbitalstation möglich, wenn
bei großer
Seillänge auch
große
Massen von außen
nach innen bewegt werden. Dabei wird Energie in die antreibende
Winde eingespeist. Die für
diese Operation erforderlichen Massen sind vorher außen, d.h.
oberhalb der Orbitalstation, zu plazieren und verbleiben später auf
der Station.
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Ein
weiterer Vorteil der Erfindung betrifft schließlich das Aussetzen von herkömmlichen,
d.h. nicht seilgefesselten Satelliten von einer Orbitalstation aus.
Bisher werden derartige Satelliten mittels Druckfedern oder durch
Triebwerksschub direkt von der Station aus auf eine Abstiegs- oder
Aufstiegsbahn gebracht. Werden diese Satelliten jedoch, wie bei
dem erfindungsgemäßen Satellitensystem
möglich,
von einer der Endmassen, die sich kilometerweit unter- oder oberhalb
der Station an einem Seil hängend
befinden kann, ausgesetzt, so bewirken die in Richtung Nadir oder
Zenit wirkenden Geschwindigkeiten und Beschleunigungen die Abstiegs- oder Aufstiegsbewegung
und ein zusätzlicher
Düsenschub
ist nicht erforderlich. Der auszusetzende Satellit kann vielmehr
statisch oder dynamisch vorzugsweise auf eine Abstiegsbahn gebracht
werden, ohne daß Energie
zugeführt
werden muß.
Es muß lediglich
Druckfederenergie zum Ausstoßen
des Satelliten im statischen Falle sowie zum Starten des Rücktransfers
der Kompensationsmasse bereitgestellt werden.
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Nachfolgend
soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Bei
dem in 1 dargestellten
Tether-System sind über
einer Raumstation zwei Endmassen mE1 und mE2 an insge samt sechs
Tragseilen angeordnet. Zwischen den beiden Endmassen mE1 und mE2
bewegt sich, geführt
durch die Tragseile, auf jedem Strang eine Laufmasse m1, m2. Die
Laufmassen m1 und m2 besitzen eine unterschiedliche Masse und sind über je ein
Laufseil LS1, LS2 mit einer Winde W1, W2 verbunden. Durch eine Kopplung
dieser beiden Winden W1 und W2 sind auch die beiden Laufmassen m1
und m2 miteinander verbunden. Die Laufseile sind einmal rechtsgängig und
einmal linksgängig
um die jeweilige Trommel der zugeordneten Winde W1 bzw. W2 gewickelt.
Während
ein Laufseil, in 1 das
Laufseil LS1, abgespult wird, wird daher das andere Laufseil LS2
auf die Winde W2 aufgespult. Dadurch befindet sich eine Masse außen, d.h. in
weiterer Entfernung von der Station, wenn die andere innen, d.h.
in unmittelbarer Nähe
der Station, ist. Die Laufmassen stehen zueinander in einem bestimmten
Massenverhältnis,
im Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels ist ein Verhältnis von
1:3 gewählt.
Dieses Verhältnis
definiert auch das Verhältnis
der Längen
e2 zu L. Wegen der relativ zur Masse der Station geringen End- und
Laufmassen kann als Metazentrum MZ mit guter Näherung der Massenmittelpunkt
der Station angenommen werden. Die Umlaufwinkelgeschwindigkeit des
gesamten Systems, d.h. für
MZ, ist dann Ω MZ
und somit vMZ die Bahngeschwindigkeit der Station.
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Die
zwei Endmassen mE1 und mE2, die an zwei Strängen mit jeweils drei Tragseilen
TS hängen, werden
von der Station aus nach außen
gebracht, indem diese Seile über
die zwei Winden W1, W2 abgespult werden. Die Masse mE1 liegt um
den Laufweg LL über
der Masse mE2. Die Masse mE2 liegt im Abstand e2 + x0 über der
Station. Beide Massen mE1 und mE2 sind also in Richtung der erdabge wandten Seite
ausgefahren, wodurch ein Eintauchen in die Erdatmosphäre vermieden
wird. Falls aber in einer Anwendung ein nicht seilgefesselter Satellit
zum Verglühen
ausgestoßen
werden soll, beispielsweise um Müll
von der Station in den Weltraum zu entsorgen, wird das Tether-System
zur Erde hin orientiert.
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Alle
Seile werden durch Gravitationsgradientenkräfte gespannt. Diese Kräfte bedingen
auch die Bewegung der Laufmassen m1 und m2. Beim Abspulen (Deployment,
D) und beim Aufspulen (Retrieval, R) sind die folgenden Fälle zu unterscheiden:
- 1.) Wegen der größeren Laufmasse dominiert energiemäßig das
Deployment, d. h. es wird Energie frei (Bezeichnung "D/R" )
- 2.) Wegen der größeren Laufmasse
dominiert energiemäßig das
Retrieval, d. h. es wird Energie über die Winde eingespeist (Bezeichnung "R/D"),
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Anwendungsmöglichkeiten
hierfür
sind, einschließlich
der zugehörigen
Energiebilanzen:
- – das Aussetzen von Satelliten
(D/R)
- – die
Bereitstellung von kinetischer und elektrischer Energie (D/R)
- – die
Anhebung der Station (R/D)
- – der
Personenlift für
Raumstationen (D/R).
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Die
zwei durch ein Seil miteinander gekoppelte Massen oder Satelliten
mE1 und mE2 befinden sich auf einer Kreisbahn und bilden damit ein
System von sogenannten "tethered
satellites". Das
Seil ist in der sogenannten Speichenstellung radial ausgerichtet.
Wie 2 zeigt, können die
beiden Massen m1, m2 um das Metazentrum MZ eine Pendelbewegung ausführen. Das
Metazentrum ist der Punkt, in dem keine Beschleunigung in radialer
Richtung auftritt. Die an jeder der beiden Massen angreifenden Kräfte setzen
sich zusammen aus der Fliehkraft und der Gravitationskraft. Die
an der oberen Masse angreifende resultierende Kraft wirkt nach oben,
diejenige für
die untere Masse nach unten. Folglich werden ausgelenkte Massen
in die Speichenstellung zurückgezogen.
Es tritt also im Seil eine Zugspannung auf, die aus dem Gravitationsgradienten
(Kräftedifferenz) folgt.
Diese Kraft wächst
mit wachsender Seillänge und
abnehmender Bahnhöhe.
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3 zeigt einen unter einem
Muttersatelliten hängenden
Tochtersatelliten. Bei Abspulvorgängen (Deployment) und bei Aufspulvorgängen (Retrieval)
werden Pendelbewegungen um die y-Achse angeregt, die sogenannte
In-Plane-Libration.
Diese können
durch besondere Maßnahmen,
wie Steuergesetze für
den Windenantrieb, gedämpft
werden, Die Pendelbewegung um die x-Achse, d. h. die Out-Of-Plane
Libration, kann dagegen vernachlässigt
werden.
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Die
Wirkungsweise ergibt sich dabei aus dem in 4 dargestellten Kräfteschaubild. Die Massen m1
und m2 haben einen unterschiedlichen Abstand vom Metazentrum MZ.
Weiterhin besteht ein Massenunterschied, d.h. m1 > m2, so daß unterschiedliche
nach außen
wirkende Gravitationsgradientenkräfte auf die betreffenden Massen
einwirken. Wegen der Seilkopplung über die Winde besteht ein fester
Zusammenhang zwischen den Abständen
x1 und x2. Erfolgt der Start von einem kleinen Anfangsversatz x0
aus, so setzt die Abspulbewegung von selbst ein. Die Kraft, die
zum Aufspulen der Masse m2 aufgebracht werden muß, ist von der auf m1 einwirkenden Kraft
abzuziehen, wobei reibungsfreie Windenlager vorausgesetzt sind.
Damit beim Abspulen ein Kraftüberschuß vorhanden
ist, ist ein Anfangsabstand e2 der Endmasse mE2 vom Massenzentrum
MZ gegeben.
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Der
Kraftüberschuß beträgt für das Deployment
zu Beginn F0 bei x0 und am Ende FE1 – FE2. Die in 4 schraffierte Fläche stellt dabei die freigesetzte
Energie über
dem Laufweg LL dar. Die Massen m1 und m2 worden vor dem Erreichen
der Endpositionen auf Null abgebremst (hier nicht dargestellt).
Daraus folgt, daß ein
wesentlicher Teil der freigesetzten Energie in den rotierenden Massen
der Windentrommeln gespeichert ist. Von diesen aus läßt sich
die Energie durch Ankuppeln anderer rotierender Massen, z. B. Schwungräder, weiterleiten.
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Bei
der im hier dargestellten Ausführungsbeispiel
gewählten
Konfiguration bewegen sich auf einem Strang drei über einen
Koppelmechanismus miteinander verbundene Massen von innen nach außen. Das
Laufseil wird somit von der Winde abgespult. Jede dieser Massen
wird über
je zwei Anpreßrollen
entlang eines Tragseiles geführt,
wobei drei Tragseile vorhanden sind. Auf dem anderen Strang bewegt
sich nur eine Masse von außen
nach innen. Hierbei wird das Laufseil somit aufgespult. Die Winden
für jeden
der beiden Stränge
sind durch eine starre Welle miteinander verbunden. Falls daher
ein Strang abspult, spult der andere Strang in gleichem Maße auf.
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5 zeigt das Gehäuseoberteil 1 mit
einem nach außen
gerichteten kugelig gelagerten, von Druckfedern abgestützten Zentrierbolzen 3.
Ein Laufseil 12 ist in einem zentralen Kanal des Gehäuses geführt und
an einer Kugelschale 2 befestigt. Ein verriegelungsbolzen 10 dient
zur Kopplung zweier Massen. Dieser wird in einem Gehäuse 9 durch
ein Druckfeder 11 nach außen gepreßt. Ein Zugseil 7, das über Umlenkrollen 8 durch
eine schräge
Bohrung in den zentralen Kanal geführt wird, ist am verriegelungsbolzen 10 befestigt.
Das freie Ende des Zugseiles ist am Anker 6 eines Schaltmagneten 5 befestigt. wird
der Schaltmagnet eingeschaltet, so zieht er den Anker hinein. Folglich
wird der Verriegelungsbolzen 10 gegen die Druckfederkraft
nach innen in die Entriegelungsposition gezogen.
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Insgesamt
sind drei im Winkelabstand von 180 Grad über dem Umfang verteilte Verriegelungsbolzen
vorgesehen, die für
eine gleichmäßige Kraftverteilung
sorgen. In 6 sind diese
drei Verriegelungsbolzen in Draufsicht auf das Gehäuseoberteil dargestellt.
Die Zugseile münden
neben dem Laufseil in den zentralen Kanal. weiterhin zu erkennen
sind drei Tragseile 13, die ebenfalls im Winkelabstand
von 180 Grad auf dem Umfang verteilt angeordnet sind. Das Gehäuseoberteil
bewegt sich entlang der Tragseile. Hierbei wird jeweils ein Rollenpaar 14 über Anpreßfedern 36 gegen
das Zugseil gepreßt
(9). Da das Rollenpaar
in Radiallagern läuft,
ist für
eine reibungsarme Führung
gesorgt.
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In 7 sind folgende Gehäuseteile
dargestellt: Ein Gehäuseoberteil 1,
ein Gehäusemittelteil 25 und
ein Gehäuseunterteil 15,
wobei diese Komponenten zusammengeflanscht sind. Das Gehäuseunterteil
ist als Gegenstück
zum Gehäuseoberteil
der darunter liegenden Masse ausgebildet, so daß eine Kopplung ermöglicht wird.
In einer Gelenkkugel 16 des Gehäuseunterteils ist eine durch
eine Druckfeder 18 abgefederte Zentrierbuchse 17 angeordnet.
Diese Buchse nimmt im gekoppelten Zustand den Zentrierbolzen 3 auf,
wobei die Druckfeder gespannt wird. Die gegenseitige Verriegelung übernehmen
die drei Verriegelungsbolzen 10 (5). Sie fassen in eine Gabel 33.
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Während des
Koppelvorganges ermöglicht es
die abgeschrägte
Form der Gabelenden, daß der Verriegelungsbolzen
zunächst
zurückgedrängt wird. Am
Ende des Vorganges wird der Bolzen durch die Druckfeder 11 nach
außen
in die Verriegelungsposition gedrückt. Der Schaltmagnet ist hierbei
ausgeschaltet. Beide Massen sind jetzt verbunden. Wird in einem
geeigneten Zeitpunkt der Schaltmagnet eingeschaltet, so trennen
sich Verriegelungsbolzen 10 und Gabel 33. Die
Druckfeder 18 stößt danach
mit einem geeigneten Kraftimpuls beide Massen auseinander.
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Da
in der Praxis Reibungs- und Verschleißeinflüsse auftreten, kann die Kraft
der Druckfeder mit der Zeit abnehmen. Daraus ergibt sich, daß sie erneut
vorgespannt werden muß.
Diese Verstellfunktion übernimmt
eine im Gehäusemittelteil
angeordnete Verstellmechanik. Um die Druckfeder spannen zu können, müssen im
gekoppelten Zustand die Zentrierbuchse 17 und der Zentrierbolzen 3 fest
miteinander verbunden sein. Zur Verstellung werden die Gelenkkugel 16,
die Kugelschale 20 und ein innerer Verstelltopf 22 nach
unten bewegt. Die Zentrierbuchse bleibt dagegen fixiert.
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Im
einzelnen wird die Verstellung über
einen Antriebsmotor 34 erreicht, der eine Verstellwelle 29 antreibt.
Eine Scheibenbremse 27 ist dabei gelöst und der ver stellbare Teil
einer Schaltkupplung 26 ist nach unten gedrückt. Auf
diese Weise ist ein Momentenfluß vom
Motor zum äußeren Verstelltopf 23 gegeben.
Die Kugelschale 20 wird durch einen Mitnehmer, der in eine
Nut des Gehäuseunterteils
faßt,
an einer Rotation gehindert, wie in 8 dargestellt.
Daher ist nur eine axiale Längsbewegung
möglich.
Ist der gewünschte
Verstellweg erreicht, wird die Scheibenbremse betätigt und
die neue Einstellung ist fixiert.
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Der
vom Antriebsmotor 34 angetriebene Verstellmechanismus stellt
die erste Variante dar. Er dient somit zur Kombination verschiedener
Einzelmassen zu einer kompletten Laufmasse. Um die Auswirkungen
der Reaktionen zu mildern, wird dieser Mechanismus nur dann aktiviert,
wenn die Einzelmassen sich in Kopplung mit einer der Endmassen befinden.
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Eine
zweite Variante des Verstellmechanismus ist ebenfalls in 7 dargestellt. Der Antriebsmotor
entfällt
bei diesem Ausführungsbeispiel.
Eine Verstellwelle 29 wird durch einen Schneckentrieb 30, 31 angetrieben.
Hierbei ist die antreibende Schneckenwelle in Radiallagern 32 gelagert.
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Die
zweite Variante ist auf jeder der beiden Endmassen aufgebaut und
dient zur Kopplung der Laufmassen mit den Endmassen. 10 zeigt eine Draufsicht,
aus der hervorgeht, daß der
in der Mitte zwischen den beiden Strängen liegende Antriebsmotor
zunächst
ein Stirnradgetriebe antreibt. Dieses treibt seinerseits je eine
Schneckenwelle pro Strang an, wobei die Drehrichtungen gegenläufig sind. Über die
Schneckenräder
ergibt sich eine Verstellung, die für beide Stränge gleich ist. Der wesentliche
Vorteil dieser Anordnung ist, daß sich während der Verstellungen die
Reaktionskräfte
und – momente
aufheben.
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8 stellt eine Draufsicht
auf die Unterseite des Gehäuseunterteils 15 dar.
Die als Gegenstück
zu den Verriegelungsbolzen dienenden Aufnahmegabeln 33 sind
um 180 Grad versetzt auf dem Umfang verteilt angeordnet. Weiterhin
ist ersichtlich, daß auch
das Gehäuseunterteil über insgesamt
drei Anpreßrollenpaare
mit den Tragseilen verbunden ist. Für eine zusammengesetzte Einzelmasse,
d.h. die Komponenten 1, 25 und 15, sind
somit sechs Anpreßrollenpaare
vorhanden.
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In 9 ist dargestellt, wie ein
Anpreßrollenpaar
im Gehäuse
(Unterteil, Oberteil) angeordnet ist. Die Rollen sind jeweils oben
und unten durch Deckel abgedeckt. Zwischen diesen Deckeln und dem
Tragseil tritt nur wenig Gleitreibung auf. Die in Radiallagern laufenden
und nur leicht an das Tragseil gepreßten Rollen verursachen nur
wenig Rollreibung, so daß eine
gute Seilführung
gewährleistet
ist.
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Eine
der möglichen
Anwendungen der Erfindung, das Aussetzen von nicht seilgefesselten
Satelliten, ist in 11 dargestellt.
Bei diesem Aussetzen von Satelliten mittels eines Seiles sind das
dynamische und das statische Aussetzen zu unterscheiden. Beim dynamischen
Aussetzen ist die Bewegung in zwei Phasen unterteilt: Zunächst wird
der Satellit, der auf einer an einem Laufseil hängenden Ausfahrmasse befestigt
ist, in einer Translationsbewegung entlang von Tragseilen in Richtung
Erde transportiert. Es handelt sich um ein kombiniertes Deployment
und Retrieval (D/R) mit energiemäßig domi nierendem Deployment.
Der Antrieb erfolgt dabei allein aus der Gravitationsgradientenkraft.
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Parallel
dazu, jedoch zeitlich versetzt, wird der Rücktransfer im Sinne des Retrievals
der Kompensationsmasse durch Entspannung einer Druckfeder eingeleitet,
der etwas später
als das kombinierte Deployment und Retrieval beendet ist. Der Rücktransfer
dient zur Kompensation von Pendelbewegungen.
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Der
Satellit fährt
nach dem Erreichen der Endlage ungebremst weiter in Richtung Erde
und vollführt
nach der Trennung von der Ausfahrmasse eine Abstiegsbewegung. Diese
erfolgt auf einer De-Orbit-Ellipse, und zwar so weit, bis der Satellit
bei einer Höhe
von etwa 120 km mit einem Bahnwinkel γE in die Atmosphäre eintaucht.
Ziel ist es dabei, den mit Müll
von der Station angefüllten
Satelliten auf einem möglichst
kurzem Weg in der Atmosphäre
zum restlosen Verglühen
zu bringen.
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Beim
kombinierten Deployment und Retrieval wird Energie frei, während beim
Rücktransfer
vorher Energie in Form von Druckfederenergie eingespeist worden
ist. Diese beiden Energiebeträge
sind gleich. Daraus folgt, daß während des
kombinierten Deployment und Retrievals der Station Bahnenergie entzogen
wird, während
beim Rücktransfer
Bahnenergie zugeführt
wird. Die Station sinkt also zunächst ab,
um danach während
des Rücktransfers
um den gleichen Betrag wieder aufzusteigen.
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Beim
statischen Aussetzen wird der Satellit nach einem beliebigen Zeitplan
von oben nach unten transferiert. Er wird nach einer Abbremsung
durch Druckfedern vom Seil und von der Ausfahrmasse getrennt und
auf der unteren Endmasse angeordnet. Dort verbleibt er im Wartezustand,
um in einem geeigneten Moment von der Endmasse abgetrennt zu werden.
Die aus dem Gravitationsgradienten resultierende, senkrecht zur
Bahn nach unten wirkende Beschleunigung bewirkt nun einen Abstieg
des Satelliten. Die statische De-Orbit-Ellipse stellt einen längeren Abstiegspfad
dar, wobei das Eintauchen in die Erdatmosphäre flacher erfolgt als beim
dynamischen Aussetzen. Auch hier ist eine zusätzliche Energiezufuhr für das Ausstoßen nicht
erforderlich.
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Wird
beim statischen Aussetzen zusätzlich eine
Druckfeder verwendet, so liegt ein besonderer Fall des dynamischen
Aussetzens vor. Hierbei muß Energie
zugeführt
werden. Die Abstiegsbahn ist dafür
deutlich steiler.
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Ein
weiterer Anwendungsfall ist die Bereitstellung von kinetischer und
elektrischer Energie, wie sie in 12 dargestellt
ist. Die Doppelwinde, die von den abgespulten Massen angetrieben
wird, eignet sich dabei zur Abgabe von kinetischer Energie. Es handelt
sich um ein kombiniertes Deployment und Retrieval mit energiemäßig dominierendem
Deployment. Bei jedem der aufeinander folgenden Zyklen oder Arbeitstakte
ergibt sich ein anderer Drehsinn der als Kraftmaschine arbeitenden
Doppelwinde D. Somit ist eine Addition oder Speicherung der Energiebeträge durch
die Winde selbst nicht möglich.
Vielmehr muß die
Energie sofort an eine anzukoppelnde Drehmasse weitergeleitet werden,
was mit schaltbaren Reibungskupplungen ermöglicht werden kann. Ein zwischengeschaltetes
Wendegetriebe W sorgt in jedem Zyklus für einen einheitlichen Drehsinn.
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Die
kinetische Energie kann an verschiedene Arbeitsmaschinen oder -geräte, die
sich an unterschiedlichen Positionen innerhalb der Station befinden,
weitergeleitet werden.
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In 12 ist die Doppelwinde D,
d. h. zwei durch eine starre welle gekoppelte Winden, für die Drehrichtung ω1 dargestellt.
Die linke Trommel spult ab, während
die rechte aufspult. Die Bewegung wird weitergeleitet an ein Wendegetriebe
W, das entweder über
eine Schaltkupplung einen Gleichstromgenerator G oder, ebenfalls über eine
Schaltkupplung, ein Kettengetriebe K antreibt. Das Kettengetriebe
K ermöglicht
eine stufenlose Übersetzungsänderung
und treibt im Fall des hier dargestellten Ausführungsbeispiels über ein
Kegelradgetriebe eine Schwungmasse S an, wobei noch eine Reibungskupplung
zwischengeschaltet ist. Vom Schwungrad aus wird über die biegsame Welle bW ein
Ventilator V angetrieben.
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In 13 ist als weiterer Anwendungsfall
die Anhebung der Station auf eine höhere Orbitalbahn dargestellt.
Beim Massentransfer von oben nach unten zum MZ sind zuvor ausreichend
viele Einzelmassen innerhalb der oberen Endmasse mE1 anzuordnen.
Dann werden relativ vielen kombinierten Einzelmassen aufgespult
und es werden nur wenige abgespult. Es handelt sich um den Bewegungstyp
R/D, bei dem R energiemäßig dominiert:
Es wird der Winde elektrische Antriebsenergie zugeführt, die
der Bahnenergie zugute kommt. Auf diese weise ist sehr effektiv
eine Anhebung der Station samt des Tether-Systems zu erreichen.
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Schließlich ist
als letztes Anwendungsbeispiel in 14 ein
Personenlift für
Raumstationen dargestellt. Dabei sind über der Hauptstation zwei Nebenstationen
in einer Speichenstellung angeordnet, und zwar entsprechend dem
Standardaufbau. Die Nebenstationen können beispielsweise als Unterkünfte dienen.
Die Beförderung
von Personen von einer Nebenstation zur anderen erfolgt in der Art
eines Liftes. Die bisherigen Laufmassen bilden dabei die Personenkabinen,
die über
ein umlaufendes Laufseil miteinander verbunden sind. Um den Antrieb allein
aus der Gravitätsgradientenkraft
zu bestreiten, müssen
auch hier die Massenverhältnisse
genau eingehalten werden. Als Besonderheit kommt hier noch der Personentransport
von der Hauptstation zur Nebenstation und umgekehrt hinzu, der mit
Druckfedern zu realisieren ist.