DE19715788C1 - Solargenerator für Satelliten - Google Patents

Solargenerator für Satelliten

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solargenerator, beste­ hend aus einer Vielzahl von Solarzellen und aus einer Träger­ struktur und den weiteren Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, für den Einsatz in Satelliten und insbesondere in Nachrichtensatelliten. Ein derartiger Solargenerator geht aus der DE 28 40 807 B1 hervor.
Satelliten benötigen eine kontinuierliche Energieversorgung, um ihre Aufgaben über längere Zeit störungsfrei durchführen zu können. Zur Gewinnung der nötigen elektrischen Energie werden Solargeneratoren verwendet. Diese bestehen aus Solarzellen, die auf geeigneten Trägerstrukturen befestigt sind. Geeignet bedeu­ tet dabei, dass die Trägerstrukturen leicht den auftretenden Belastungen angepasst, verträglich mit dem Solarzellenwerkstoff und dennoch kostengünstig sind.
Solargeneratoren für Satelliten müssen während eines vorgegebe­ nen Zeitraums in der Grössenordnung von 10 bis 12 Jahren eine möglichst konstante elektrische Leistung bereitstellen. Dafür eignen sich insbesondere Solarzellen aus Silizium oder Galli­ umarsenid auf einer leichten Trägerstruktur. Die Trägerstruk­ tur wiederum muss bestimmte Eigenschaften aufweisen, um andere Komponenten des Satelliten, wie Antennen, Tanks, Bahnverfol­ gungssysteme usw. nicht negativ zu beeinflussen.
Um die mechanischen Hauptbelastungen, die während des Startvor­ gangs auftreten, unbeschadet zu überstehen, müssen die Struktu­ ren für Vibrationen ausgelegt sein, wie sie bei der 30-fachen Erdbeschleunigung (30 g) auftreten. Eine zusätzliche mechani­ sche Belastung erfolgt durch den Schalldruck, der unter der aerodynamischen Verkleidung des Raketenspitze aufgrund des Lärms der Raketentriebwerke beim Start entsteht. Höchst gefähr­ dete Bereiche von leichtgewichtigen Trägerstrukturen sind in diesem Lastfall Sandwichbauteile mit extrem dünnen Deckhäuten.
Wenige Minuten nach dem erfolgreichen Start werden die Funktio­ nen des Satelliten überprüft, während er sich in einer niedri­ gen Erdumlaufbahn befindet. Bevor der Nachrichtensatellit in die Übergangsbahn zur geostationären Bahn mittels Triebwerks­ zündung gelangt, wird der Solargenerator entfaltet. Die übli­ cherweise zwei Flügel, deren Länge bis zu 12 m betragen können, sind eine träge Masse, die beim Zünden und Abschalten des Sa­ tellitentriebwerks eine Biegebelastung für die Trägerstruktur verursacht. In der Umlaufbahn treten nur noch Belastungen aus Temperaturschwankungen auf.
Da besonders bei Fluggeräten das möglichst geringe Gewicht eines Solargenerators eine wesentliche Rolle spielt, bieten sich Faserverbundwerkstoffe an, die eine deutlich höhere spezi­ fische Festigkeit und Steifigkeit als alle metallischen Werk­ stoffe aufweisen.
Zum Erhalt einer möglichst steifen und leichten Trägerstruktur eignen sich insbesondere Laminate aus Hochmodulfasern in Form einer Sandwichkonstruktion. Der grundsätzliche Aufbau einer Sandwichkonstruktion, die als Trägerstruktur für die Solarzel­ len für einen Nachrichtensatelliten dient, ist in Fig. 1 dar­ gestellt. Verbesserte Trägerstrukturen, die bereits in der Lage sind, grössere mechanische Beanspruchungen aufzunehmen, sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt.
Die eingangs genannte DE 28 40 807 B1 zeigt ein Sandwichpanel, das mit Solarzellen be­ legbar ist, um einen Solargenerator für Satelliten zu bilden. Das bekannte Sandwichpanel hat einen Wabenkern, der zwischen einer oberen und einer unteren Deckschicht angeordnet ist. Zwischen dem Wabenkern und den Deckschichten ist jeweils eine Verstärkungsplatte angeordnet. Krafteinleitungselemente dienen zur Aufnahme und gleichförmigen Verteilung einer punktförmig eingeleiteten Last.
Es wurde festgestellt, dass die hauptsächlichen mechanischen Belastungen der Trägerstruktur zum einen aus Vibrationen im Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz bestehen, während die aus dem Schalldruck resultierenden Beanspruchungen in einem Fre­ quenbereich von 150 Hz bis 500 Hz auftreten. Die Beanspruchun­ gen aus dem Schalldruck beim Start der Rakete steigen mit den Abmessungen des Solargenerators stark an und begrenzen daher seine Grösse. Weiterhin erzeugen die aus Vibrationen und Schall herrührenden Verformungen Schäden bei den empfindlichen Solar­ zellen.
US 4 394 529 zeigt eine Tragestruktur für Solarzellen für Sa­ telliten, wobei u. a. Probleme im Zusammenhang mit Schwingungen angesprochen sind. Die Tragestruktur hat einen Wabenkern aus Aluminium mit Versteifungselementen.
In "Guidance and Control 1996, Vol. 92; Advances in the Astro­ nautical Sciences", San Diego, CA, USA, 1996, S. 531-544, sind Panels für Satelliten beschrieben, an deren Oberfläche Dämp­ fungsschichten angeordnet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Solargenerator zu schaffen, der erheblich höheren Belastungen, wie sie beim Start der Rake­ te zum Transport des mit dem Solargenerator ausgerüsteten Nach­ richtensatelliten in seine Erdumlaufbahn auftreten, standhält und insbesondere Vibrationen im Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz und Schalldruck im Frequenzbereich von 150 Hz bis 500 Hz besser standhält als die herkömmlichen Solargeneratoren.
Ausgehend von einem Solargenerator, wie er im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definiert ist, erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Durch die erfindungsgemäss vorgesehenen Dämpfungselemente, die in die wabenförmige Zellstruktur zwischen den beiden Deckhäuten eingeklebt sind, erhält man eine erheblich höhere Widerstands­ fähigkeit gegen die Belastungen aus mechanischen Vibrationen in einem Frequenzbereich von 30 Hz bis 100 Hz.
Durch den zusätzlichen Einsatz von Dämpfungsfolienstreifen, die auf der der wabenförmigen Zellstruktur abgewandten Aussenseite der unteren Deckhaut einschichtig oder mehrschichtig durch­ gehend oder unterbrochen aufgeklebt sind, wobei sie der Sand­ wichdeckhautsteifigkeit angepasst sind und wobei ihre Richtung und Lage von dem Ansprechverhalten des Solargenerators gegen die akustisch angeregten Vibrationen abhängt, erhält man eine erhöhte Dämpfung und damit geringeres Ansprechverhalten im Bereich von 150 Hz bis 500 Hz.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der neben dem Stand der Technik vorteilhafte Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:
Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau eines Solargenera­ tors;
Fig. 2 eine teilweise aufgebrochene Ansicht einer Trägerstruktur;
Fig. 3 eine teilweise aufgebrochene Ansicht einer in der Praxis verwendeten Trägerstruktur für einen Solargenerator mit Lasteinleitungselement;
Fig. 4 eine Draufsicht auf einen Teil der Trägerstruk­ tur;
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Schalldrucks über der Frequenz;
Fig. 6 eine Draufsicht auf einen Teil der Unterseite der erfindungsgemäss ausgestalteten Träger­ struktur;
Fig. 7a eine teilweise aufgebrochene Ansicht eines Teils einer erfindungsgemässen Trägerstruktur mit Lasteinleitungselement;
Fig. 7b mehrere Beispiele für die verwendeten Dämpfere­ lemente, und
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Verhaltens der Trägerstruktur infolge der durch den Schalldruck auftretenden Belastung.
Fig. 1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau eines Solargenerators, der aus einer Vielzahl von rechteckigen, nebeneinander angeord­ neten Solarzellen 1 und aus einer Trägerstruktur besteht, wel­ che durch eine wabenförmige Zellstruktur 4 gebildet wird, die auf ihrer Oberseite mit einer Deckhaut 2 und auf ihrer Unter­ seite mit einer Deckhaut 5 versehen ist; mit 5' ist eine kreis­ förmige vergrösserte Draufsicht auf einen Teil der unteren Deckhaut 5 bezeichnet.
Fig. 2 zeigt eine teilweise aufgebrochene Trägerstruktur für den Solargenerator, wie er für den Satelliteneinsatz geeignet ist, wobei zwischen der unteren Deckhaut 5 und der wabenförmi­ gen Zellstruktur 4 sowie dieser wabenförmigen Zellstruktur und der oberen Deckhaut 2 jeweils eine Klebschicht 3 zur Verbindung der einzelnen Bauelemente miteinander vorgesehen ist. Auf der oberen Deckhaut 2 ist noch eine elektrisch isolierende Schicht 6 vorgesehen, auf der dann die in Fig. 1 dargestellten Solar­ zellen 1 angebracht werden.
Zum Erhalt einer möglichst steifen und leichten Trägerstruktur eignen sich Laminate aus Hochmodulfasern in Form einer Sand­ wichkonstruktion. Die Deckschichten bestehen dabei insbesondere aus Kohlenstoffasern mit Epoxidharz. Als Material für die wabenförmige Zellstruktur eignet sich sowohl Aluminium als auch Polyamidpapier oder Aramidfasern, bzw. Aramidpapier, GFK und CFK.
Um die Widerstandsfähigkeit gegen die mechanischen Belastungen einer derartigen Trägerstruktur zu erhöhen, werden derzeit für Nachrichtensatelliten Trägerstrukturen mit dem in Fig. 3 ge­ zeigten Aufbau verwendet, wobei hierbei für die Lasteinleitung Kohlefaser-Klötze 7 mittels Spleisskleber in entsprechend ein­ gearbeitete Öffnungen in die wabenförmige Zellstruktur 4 einge­ klebt werden. Zur weiteren Versteifung werden zwischen den beiden Deckhäuten 2, 5 und den Kohlefaser-Klötzen 7 jeweils zusätzliche Laminatstücke 8 vorgesehen, die als Doppler wirken.
Die Oberseite der Kohlefaser-Klötze 7, die im allgemeinen rechteckig sind, können mit hervorspringenden Buchsen (Bundbuchsen) 7' versehen sein. Auch hier sind zur Verbindung der einzelnen Bauteile miteinander Klebeschichten 3 zwischen den beiden Deckhäuten mit Verstärkungslagen und der wabenför­ migen Zellstruktur 4 vorgesehen.
Bei einem ersten Ausführungsbeispiel, wie es in den Fig. 4 und 7 näher dargestellt ist, werden anstelle der herkömmlichen rechteckigen Kohlenfaser-Klötze zylindrische Dämpfungselemente 11 als Niederhalter eingesetzt, die einen besonderen Aufbau aufweisen und ebenfalls sowohl mit der wabenförmigen Zellstruk­ tur 4 als auch mit den Klebeschichten 3 zwischen den oberen und unteren Deckhäuten mit Verstärkungslagen 2 verklebt sind.
Jedes Dämpfungselement 11 weist, wie Fig. 7a und 7b zu ent­ nehmen ist, einen Aussenring 12 aus Faserverbundwerkstoff (FVW), einen konzentrisch dazu angeordneten und in ihn einge­ setzten Elastomerring 13 sowie einen konzentrischen Innenring 14 aus Faserverbundwerkstoff (FVW) auf, wobei die beiden FVW- Ringe vorzugsweise am Elastomerring anvulkanisiert sind. Es ist auch möglich, mehrere Ringe aus Elastomerwerkstoff und FVW- Werkstoff abwechselnd konzentrisch ineinander anzuordnen.
Auch kann ein Haltestutzen 11' an der Oberseite des Dämp­ fungselementes 11 vorgesehen sein.
Bei einem besonders bevorzugten zweiten Ausführungsbeispiel ei­ ner erfindungsgemäss ausgestalteten Zellstruktur für den Solar­ generator für einen Nachrichtensatelliten sind sowohl in die wabenförmige Zellstruktur 4 die Dämpfungselemente 11 im Abstand voneinander eingesetzt als auch zusätzlich auf der Aussenseite der unteren Deckhaut 5 Dämpfungsfolienstreifen 10 vorgesehen, um so eine optimale Dämpfung der aus den Vibrationen und dem Schalldruck stammenden Belastungen zu ermöglichen.
Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel, wie es in Fig. 6 schematisch dargestellt ist, ist nun die der wabenförmigen Zellstruktur 4 abgewandte Aussenseite der unteren Deckhaut 5 mit einer Vielzahl von Dämpfungsfolienstreifen 10 belegt, die unterschiedliche Längen und Breiten aufweisen können und die fest mit der Aussenseite der Deckhaut 5 verklebt sind. Diese aufgeklebten Dämpfungsfolienstreifen 10 reduzieren die durch den Schalldruck auftretenden Belastungen im Frequenzbereich von 100 Hz bis 500 Hz, wobei diese Dämpfungsfolienstreifen 10 ein­ schichtig oder mehrschichtig, durchgehend oder unterbrochen sein können. Ferner sind sie der Sandwichdeckhautsteifigkeit anzupassen. Die Richtung und die Lage der einzelnen Dämpfungs­ folienstreifen 10 hängen von dem Ansprechverhalten des Solarge­ nerators auf die durch den Schalldruck auftretenden Belastungen ab und sind empirisch zu ermitteln.
Fig. 5 zeigt den Schallpegel (in dB) in Abhängigkeit von der Frequenz, wobei deutlich wird, dass das Maximum des Schall­ drucks im Frequenzbereich von 100 Hz bis 500 Hz auftritt; dieser Frequenzbereich wird durch die Dämpfungsfolienstreifen 10 gedämpft.
Fig. 8 zeigt das Strukturverhalten infolge der Schallbela­ stung, wobei hier an der Ordinate die Beschleunigung g2/Hz und an der Abszisse die Frequenz abgetragen ist.
Ausser für Solargeneratoren für Satelliten können diese ge­ dämpften Trägerstrukturen auch als Basis für vibrationsempfind­ liche Instrumente verwendet werden.

Claims (10)

1. Solargenerator, bestehend aus einer Vielzahl von Solarzellen (1) und aus einer Trägerstruktur, die folgende Merkmale aufweist:
  • 1. eine untere Deckhaut (5) mit örtlichen Verstärkungslagen,
  • 2. eine wabenförmige Zellstruktur (4), die derart angeordnet ist, dass die Längsachsen der Waben senkrecht zur Deck­ haut (5) verlaufen,
  • 3. eine obere Deckhaut (2) mit örtlichen Verstärkungslagen,
gekennzeichnet durch
  • 1. eine auf der oberen Deckhaut (2) angeordnete elektrisch isolierende Schicht (6) und
  • 2. Dämpfungselemente (11), die in entsprechende Bohrungen in der wabenförmigen Zellstruktur eingesetzt sind.
2. Solargenerator nach Anspruch 1, weiterhin gekenn­ zeichnet durch
  • 1. Dämpfungsfolienstreifen (10), die auf der abgewandten Aussenseite der unteren Deckhaut (5) im Abstand von­ einander aufgeklebt sind.
3. Solargenerator nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Dämpfungsfolienstreifen (10) unter­ schiedliche Längen und/oder Breiten aufweisen.
4. Solargenerator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfolienstreifen (10) mehr­ schichtig aufgeklebt sind.
5. Solargenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfolienstreifen (10) durchgehend sind.
6. Solargenerator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungsfolienstreifen (10) unterbrochen sind.
7. Solargenerator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dämpfungselemente (11) aus einem zylindrischen Aussenring (12) aus Metall oder Faserverbundwerkstoff, einem eingesetzten, mit dem Aussenring fest verbundenen Elastomerring (13) und einem in den Elastomerring eingesetzten und fest mit ihm verbundenen Innenring (14) aus Metall oder Faserverbundwerkstoff be­ stehen.
8. Solargenerator nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, dass mehrere Schichten Metall oder Faser­ verbundwerkstoff mit Elastomeren abwechselnd angeordnet sind.
9. Solargenerator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenwand der Dämpfungselemente (11) mit der wabenförmigen Zellstruktur (4) verbunden ist.
10. Solargenerator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Stirnsei­ ten der Dämpfungselemente (11) mit den beiden zugehörigen Deckhäuten mit Verstärkungslagen verbunden sind.
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