DE19819858A1

DE19819858A1 - Flexible tether manipulator system for space satellite

Info

Publication number: DE19819858A1
Application number: DE1998119858
Authority: DE
Inventors: Oskar Bschorr
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-05-04
Filing date: 1998-05-04
Publication date: 1999-11-11

Abstract

The tether manipulator system has 2 or more coupled tethers (21') of constant length, with acoustic horn adapters (22) or reflectors (26) at their ends and oscillation generators mounted on the horn adapters, for providing mechanical oscillations for tensioning the tethers, so that they act as rigid arms.

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Manipulator für den Einsatz im schwerefreien Raum. Für solche Orbit-Aktivitäten sind Teleskop-Greifer und wie beim Spacelab Winkelarme (25 m Reichweite) im Einsatz. Mit der Tether-Technik sind ungesteuerte Reichweiten bis 1000 km realisierbar. Ein direkter Stand der Technik ist das DBP 27 55 857 mit dem Titel "Vorrich tung zum Steuern des Abstandes zweier mit einer Leine verbundenen Satelliten" aus dem Jahre 1977. Hierbei wird in eine Tether eine mechanische Schwingung eingeleitet, wobei sich aufgrund des Schwingungsstrahlungsdruckes die flexible Tether streckt und sich wie ein starrer Balken vom Trägersatelliten aus bewegen läßt. Die genannte Anmeldung weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf, die letztlich einen praktischen Einsatz verhindert haben. So ist das Aus-und Einfahren der Tether konstruktiv aufivendig und da keine Maßnahmen gegen das Verheddern angegeben sind auch störanfällig. Die vorgeschlagenen Schwingungsgeneratoren erzeugen im Trägersatellit eine Störschwingung und verhindert dort die 0 g-Bedingung. Die Reaktionsmomente beeinträchtigen die Lageregelung und den Spinhaushalt. Im weiteren begrenzen die dort angegebenen uniformen Tether die Auslegung auf unterschiedliche Reichweiten und Einsätze. Auch für das Aus- und Einfahren der Tether ist keine praktikable und vor allem keine stabile, verhedderfreie Lösung angegeben. Schließlich waren zum Zeit punkt der Anmeldung vor 20 Jahren die heutigen Aufgabenstellungen wie Reparatur und Einfangen defekter Satelliten, die Kollektion von Weltraum-Müll und Planetoiden-Missionen noch nicht relevant und deswegen auch keine diesbezüglichen Lösungen angesprochen.The invention relates to a manipulator for use in a gravity-free room. For Such orbit activities are telescopic grippers and like the Spacelab angle arms (25 m Range) in use. With the tether technology, uncontrolled ranges are up to 1000 km realizable. A direct state of the art is the DBP 27 55 857 with the title "Vorrich device for controlling the distance between two satellites connected by a line "from the Years 1977. A mechanical vibration is introduced into a tether, whereby due to the vibration radiation pressure the flexible tether stretches and contracts like a rigid beam can move from the carrier satellite. However, the application mentioned a number of disadvantages that ultimately prevented practical use. So is the extension and retraction of the tether is constructively complex and there are no measures against it Tangling specified are also prone to failure. The proposed vibration generators generate a spurious oscillation in the carrier satellite and prevents the 0 g condition there. The Reaction moments affect the position control and the spin budget. In the further the uniform tether specified there limit the interpretation to different Ranges and missions. Neither is practical for extending and retracting the tether and above all, no stable, tangle-free solution. After all, at the time Point of registration 20 years ago, today's tasks such as repair and Trapping broken satellites, the collection of space debris and planetoid missions not yet relevant and therefore no related solutions addressed.

Aufgabe der Erfindung ist ein flexibler Manipulator für Einsätze im schwerefreien Raum, insb. für Abstandshaltung und Andocken zweier Satelliten, für Extra-Vehicular-Aktivitäten, für Planetoiden-Missionen, für das Einfangen defekter Satelliten, für die Entsorgung von Weltraum-Müll und auch für die Steuerung und Stabilisierung von Tether-Anwendungen.The object of the invention is a flexible manipulator for use in gravity-free space, esp. for spacing and docking of two satellites, for extra vehicular activities, for planetoid missions, for catching defective satellites, for the disposal of Space garbage and also for the control and stabilization of tether applications.

Die Hauptmerkmale der Erfindung sind in den Ansprüchen fixiert; insb. sind dies fierfreie Tether-Manipulatoren für den Nahbereich und verhedderfreie Fiervorrichtungen bei großen Reichweiten. Zum zweiten sind dies reaktionsfreie Schwingantriebe ohne Störung des Trä gersatelliten. Die Störschwingungen werden durch gerichtete Abstrahlung der Tether-Wellen, durch externen Schwingantrieb und durch Schwingungsisolatoren vermieden. Letztere dienen gleichzeitig als Verstellarme, um die Tether-Kraft zur Ausschaltung von Reaktionsmomenten durch den Satellitenschwerpunkt zu fluchten. Im weiteren werden inhomogene Tether- Ausführungen beschrieben mit denen sich Reichweite, Wellengeschwindigkeit, mechanische Impedanz, Frequenz und Schwingungsamplitude an die Einsatzforderungen anpassen lassen. Inhomogene Tether in Form von akustischen Kettenleitern haben frequenzselektive Däm mung und Dämpfung und können zur Stabilisierung von Nutzschwingungen und zur Unter drückung von Störschwingungen bei langreichweitigen Tether Einsätzen ausgenützt werden. Weiter werden Tether-Konstruktionen angegeben, bei denen die Solarstrahlung zur Schwin gungserregung ausgenützt wird. Dazu werden Tether-Materialien mit großem Wärmeausdeh nungskoeffizienten, großem Absorption/Emissionsvermögen und geringer radialer Wärme leitung verwendet. Der andere Auslegungsfall mit der Vermeidung unkontrollierter sonnener regter Schwingungen verlangt genau die entgegengesetzten Materialeigenschafien, z. B. Invar- Legierungen. Schließlich sind die beiden Enden einer Tether als Hornadapter oder als Re flektor ausgebildet. Auf dem Hornadapter ist ein Schwingungserreger montiert und dient als Impedanztransformator zur Einleitung der Welle in die Tether. Der Reflektor dagegen weist einen hohen Impedanzsprung auf und dient zur möglichst verlustfreier Reflexion der Tether- Welle.The main features of the invention are fixed in the claims; in particular, these are non-greasy Tether manipulators for the close range and tangle-free lubrication devices for large ones Ranges. Secondly, these are reaction-free vibratory drives without disturbing the door satellite. The interference vibrations are caused by the directional radiation of the tether waves, avoided by external vibration drive and vibration isolators. The latter serve at the same time as adjustment arms to turn the tether force to switch off reaction moments to flee through the center of gravity. Furthermore, inhomogeneous tether Versions described with which range, shaft speed, mechanical Have the impedance, frequency and vibration amplitude adjusted to the application requirements. Inhomogeneous tethers in the form of acoustic chain ladders have frequency-selective damping tion and damping and can be used to stabilize useful vibrations and to lower to suppress interference vibrations during long-range tethering operations. Furthermore, tether constructions are given in which the solar radiation to the Schwin excitation is exploited. For this purpose, tether materials with high thermal expansion are used coefficient, high absorption / emissivity and low radial heat line used. The other design case with the avoidance of uncontrolled suns lively vibrations require exactly the opposite material properties, e.g. B. Invar- Alloys. After all, the two ends of a tether are called horn adapters or re trained as a reflector. A vibration exciter is mounted on the horn adapter and serves as a Impedance transformer for introducing the wave into the tether. The reflector, however, points a high impedance jump and serves for the lossless reflection of the tether Wave.

Der Erfindungsgegenstand ist anhand verschiedener Ausführungsbeispielen dargestellt. Es zeigen:The subject matter of the invention is illustrated using various exemplary embodiments. It demonstrate:

Fig. 1 und 2 Tether-Manipulatoren für den Einsatz im schwerefreien Raum. Fig. 1 and 2 tether manipulators for use in gravity-free space.

Fig. 3 bis 9 Schwingantriebe zur Erzeugung von Tether-Wellen. Fig. 3 to 9 resonant drives for producing Tether waves.

Fig. 10 und 11 Fiervorrichtungen FIGS. 10 and 11 Fiervorrichtungen

Fig. 12 bis 16 Tether-Ausführungen in Form von akustischen Kettenleitern. Fig. 12 to 16 tether versions in the form of acoustic chain ladders.

Fig. 17 bis 20 Anwendungsbeispiele für flexible Tether-Manipulatoren. Fig. 17 to 20 Examples of applications for flexible tether manipulators.

Zur Beschreibung wird folgende Bezeichnung vereinbart: (X Figur-Nummer) X0 = Trä gersatellit, X1 = Tether, X2 = Hornadapter, X3 = Dreidimensionales drehbares Scharnier, X4 = Schwingungsisolator zur Vermeidung von Restschwingungen auf den Trägersatelliten X0 bzw. auf den Manipulator X9, X5 = Schwingungserreger zur Erzeugung einer linear und oder zirkular polarisierten Tether-Welle, X6 = Reflektor, X7 = Fiervorrichtung zur Verlänge rung und Verkürzung der Tether X1, X8 = Seismische Stützmasse, Tetherunterteilung, X9 = Subsatellit, Manipulator, Massenträgheitsmoment.The following description is agreed for the description: (X figure number) X0 = Trä satellite, X1 = tether, X2 = horn adapter, X3 = three-dimensional rotating hinge, X4 = vibration isolator to avoid residual vibrations on the carrier satellites X0 or on the manipulator X9, X5 = vibration exciter for generating a linear and or circularly polarized tether wave, X6 = reflector, X7 = fiering device for extension Reduction and shortening of the tether X1, X8 = seismic support mass, tether subdivision, X9 = Subsatellite, manipulator, moment of inertia.

Fig. 1 zeigt eine Tether 11 bei der Distanzhaltung zwischen einem Trägersatelliten 10 und einem Subsatelliten 19. Eine Hub/Zugvorrichtung 15 regt einen Hornadapter 12 zu Schwin gungen an, wobei eine Ausgleichsmasse 18 die freien Reaktionskräfte neutralisiert, im weite ren reduziert ein Schwingungsisolator 14 den Schwingungsübergang auf den Trägersatelliten. Der Schwingungsisolator 14, z. B. in der Ausführung nach DPa 197 30 469.6, kann gleichzei tig über ein Scharnier 13 so positioniert werden, daß die Reaktionskraft der Tether 11 durch den Schwerpunkt des Trägersatelliten 10 geht und so kein störendes Reaktionsmoment auf den Trägersatelliten übertragen wird. Der Hornadapter 12 ist als eindimensionales akustisches Horn ausgelegt und dient zur Anpassung der Impedanz der Hub/Zugvorrichtung 15 an die der Tether 11. Mechanisch handelt es sich um einen geraden Stab mit abnehmender Biegesteifig keit. Die eingeleitete Schwingung transportiert einen Impuls in Richtung des Hornadapters 12. Dieser Impuls spannt die Tether 11, so daß diese über die Winkelverstellung eines Schar niers 13 wie ein starrer Stab in jede Richtung positioniert werden kann. Der Reflektor 16 ist ebenfalls ein Hornelement mit seiner Cut-off-Frequenz oberhalb der Wellenfrequenz und damit auf optimale Reflexion ausgelegt. Die zunehmende Biegesteifigkeit des hornförmigen Reflektors 16 sorgt dafür, daß sich dieser in Tether-Richtung einstellt. Durch ein - hier nicht gezeichnetes - Scharnier kann schließlich auch der Subsatellit 19 gegenüber der Tether- Richtung positioniert werden. Fig. 1 shows a tether 11 in the attitude distance between a satellite carrier 10 and a subsatellites 19th A lifting / pulling device 15 excites a horn adapter 12 to vibrations, a balancing mass 18 neutralizing the free reaction forces, in the wide ren a vibration isolator 14 reduces the vibration transition to the carrier satellite. The vibration isolator 14 , e.g. B. in the version according to DPa 197 30 469.6, can be simultaneously positioned on a hinge 13 so that the reaction force of the tether 11 passes through the center of gravity of the carrier satellite 10 and so no disturbing reaction moment is transmitted to the carrier satellite. The horn adapter 12 is designed as a one-dimensional acoustic horn and is used to adapt the impedance of the lifting / pulling device 15 to that of the tether 11 . Mechanically, it is a straight rod with decreasing bending stiffness. The vibration introduced transports a pulse in the direction of the horn adapter 12 . This impulse tensions the tether 11 so that it can be positioned in any direction via the angular adjustment of a coulter niers 13 like a rigid rod. The reflector 16 is also a horn element with its cut-off frequency above the wave frequency and thus designed for optimal reflection. The increasing bending stiffness of the horn-shaped reflector 16 ensures that it sets in the tether direction. Finally, the subsatellite 19 can also be positioned opposite the tether direction by means of a hinge (not shown here).

In Fig. 2 ist ein Manipulator 29 für Arbeiten bei variabler Reichweite im Nahbereich eines Satelliten 20 eingesetzt. Beide sind durch zwei (oder mehrere ) Tether 21 und 21' miteinander verbunden. An den Enden der Tethern 21 und 21' befinden sich Hornadapter 22 oder Reflek toren 26. Auf den Hornadaptern 22 sind Schwingungsgeneratoren 25 montiert. Diese sind in Fig. 2b näher spezifiziert und bestehen aus zwei Unwuchten 28 und 28'. Deren Drehachsen sind kollinear - und in diesem Beispiel - senkrecht zum Hornadapter 22, so daß bei Rotation der Unwuchten 28 und 28' Wechselkräfte wirken, die sich dank der Impedanztransformation der Hornadapter 22 als Wellen in die Tethern 21 und 21' ausbreiten und diese aufgrund Strahlungsdruckes spannen, so daß sie sich wie starre Balken verhalten. Der Arbeitsabstand und die Orientierung zwischen Satellit 20 und Manipulator 29 wird durch die dreiachsige Winkelverstellung der Scharniere 23 eingestellt. Bei drei und mehreren Tether-Abschnitten und mit mehreren Scharnieren ist es auch möglich den Manipulator 29 auch auf der abge wandten Seite eines Objektes einzusetzen. Mit einer solchen Konstruktion können störende Reaktionsmomente a priori vermieden werden. Dank des eigenen Massenträgheitsmomentes ist eine solche Anordnung auch stabiler gegen Verdrehung. Schließlich sind Schwingungsi solatoren 24 vorgesehen um Störschwingungen auf den Satelliten 20 und den Manipulator 29 abzuhalten.In FIG. 2, a manipulator 29 is inserted to work at a variable range in the vicinity of a satellite 20. Both are connected by two (or more) tethers 21 and 21 '. At the ends of the tethers 21 and 21 'there are horn adapters 22 or reflectors 26 . Vibration generators 25 are mounted on the horn adapters 22 . These are specified in more detail in FIG. 2b and consist of two unbalances 28 and 28 '. Their axes of rotation are collinear - and in this example - perpendicular to the horn adapter 22 , so that when the unbalances 28 and 28 'rotate, alternating forces act which, thanks to the impedance transformation of the horn adapters 22, propagate as waves into the tethers 21 and 21 ' and this due to radiation pressure tension so that they behave like rigid beams. The working distance and the orientation between satellite 20 and manipulator 29 is set by the three-axis angle adjustment of the hinges 23 . With three and more tether sections and with several hinges, it is also possible to use the manipulator 29 on the opposite side of an object. With such a construction, disruptive reaction moments can be avoided a priori. Thanks to its own moment of inertia, such an arrangement is also more stable against torsion. Finally, vibration isolators 24 are provided to prevent spurious vibrations on the satellite 20 and the manipulator 29 .

Der Schwingantrieb 35 nach Fig. 3 besteht aus zwei rotierenden Unwuchten 38 und 38'. Diese sind koaxial auf dem Hornadapter 32 montiert und individuell durch Einzelmotore mit unterschiedlicher, gleicher oder entgegengesetzt gleicher Drehzahl und mit einstellbarer Phasenlage angetrieben. In der Prinzipskizze nach Fig. 3 haben die beiden Unwuchten 38 und 38' einen konstruktiv bedingten axialen Abstand. Dieser Hebelabstand bewirkt Störmomente. Hebel und Störmoment kann vollkommen ausgeschaltet werden, wenn die beiden Unwuchten 38 und 38' koplanar sind und deren radiale Momente gleich gemacht werden. Um Stör schwingungen vom Trägersatelliten abzuhalten sind zusätzliche Isolierelemente 34 vorgese hen. Entgegengesetzt gleiche Drehzahl ergibt bei gleicher Unwucht eine linear polarisierte Welle im Hornadapter 32 die sich amplitudenverstärkt in die Tether 31 fortpflanzt. Bei gleichsinniger Drehung ergibt sich eine zirkular polarisierte Welle mit einer Amplitude entsprechend der Phasenlage der beiden Unwuchten 38 und 38'. Zusätzlich zum Strahlungs druck F = N/c in Richtung der Tether 31 wird bei zirkular polarisierter Welle gleichzeitig ein Moment M = N/ω. (N = Leistung der zirkularen Welle, c = Geschwindigkeit, ω = Kreisfre quenz) übertragen. Damit können der Manipulator um die Tether-Achse gedreht und unbeab sichtigte Drehstörungen ausgeglichen werden.The vibratory drive 35 of FIG. 3 consists of two rotating unbalanced masses 38 and 38 '. These are mounted coaxially on the horn adapter 32 and individually driven by individual motors with different, the same or opposite speed and with an adjustable phase position. In the schematic diagram of Fig. 3, the two unbalanced masses 38 and 38 'a structurally determined axial distance. This lever distance causes disturbing torques. Lever and disturbance torque can be completely switched off if the two imbalances 38 and 38 'are coplanar and their radial moments are made the same. In order to prevent interfering vibrations from the carrier satellite, additional insulating elements 34 are provided. Contrary to the same speed, with the same imbalance, a linearly polarized wave in the horn adapter 32 results which is amplified and amplified in the tether 31 . With rotation in the same direction, a circularly polarized wave with an amplitude corresponding to the phase position of the two imbalances 38 and 38 'results. In addition to the radiation pressure F = N / c in the direction of the tether 31 , a moment M = N / ω is simultaneously present in the case of a circularly polarized wave. (N = power of the circular wave, c = speed, ω = circular frequency). This allows the manipulator to be rotated around the tether axis and to compensate for unintentional rotation disturbances.

In Fig. 4 ist ein Schwingungsantrieb mit gerichteter Abstrahlung, d. h. mit einstellbarem Ver hältnis von vor- und rückwärts abgestrahlter Wellenenergie in die Hornadapter 42 und 42' und damit in die Tethern 41 und 41' dargestellt. Dies wird mit zwei synchron arbeitetenden Wel lengeneratoren 45 und 45' erreicht. Über die Phasenlage und die Laufzeitunterschiede läßt sich ein spektrales Richtverhältnis einstellen. Mit einer solchen Anordnung lassen sich simultan auch zwei und mehrere Schwingungsfrequenzen abstrahlen. Dies ist dann zweckmä ßig, wenn die Wellengeneratoren 45 und 45' als Relaisverstärker in einer Long-Distance- Tether eingesetzt werden eine weitreichende, tieffrequente Welle emittieren und eine hoch frequentere zur Stabilisierung und Vermeidung von Verhedderung der Tethern 41 und 41' im Nahbereich.In Fig. 4, an oscillation drive with directional radiation, that is, with an adjustable ratio of forward and backward radiated wave energy into the horn adapters 42 and 42 'and thus into the tethers 41 and 41 ' is shown. This is achieved with two synchronously working shaft generators 45 and 45 '. A spectral directional ratio can be set via the phase position and the transit time differences. With such an arrangement, two and more vibration frequencies can also be emitted simultaneously. This is expedient when the wave generators 45 and 45 'are used as relay amplifiers in a long-distance tether to emit a far-reaching, low-frequency wave and a highly frequent one to stabilize and prevent tangling of the tether 41 and 41 ' in the close range.

Fig. 5 zeigt wieder einen Relaisverstärker für die Tethern 51 und 51' mit den Hornadaptern 52 und 52'. Der Schwingungsantrieb 55 wird hier durch eine periodische Winkelbewegung in dem Scharnier 53 realisiert. Dieser Antrieb eignet sich vorzugsweise zur Erzeugung von tieffrequenten, weitreichenden Tether-Schwingungen. FIG. 5 again shows a relay amplifier for the tethers 51 and 51 'with the horn adapters 52 and 52 '. The vibration drive 55 is realized here by a periodic angular movement in the hinge 53 . This drive is preferably suitable for generating low-frequency, far-reaching tether vibrations.

In Fig. 6 wird eine Tether 61 direkt durch aufgebrachte Piezoelemente 65 angetrieben. Ener gie und Steuersignal erhalten diese über eine Versorgungsleitung. Durch eine Phasenverset zung der einzelnen Piezoelemente 65 untereinander ist auch das Verhältnis von vor- und rückwärts abgestrahlter Wellenleistung einstellbar. Eine solche Auslegung ist bei "ungesteu erten" Tethern zur Stabilisierung und zur Bruchvermeidung zweckmäßig. Mit elektrischen Heizelementen anstelle der Piezoelemente 65 läßt sich in gleicher Weise eine Transversal schwingung in der Tether 61 induzieren. Die periodische, einseitige Längendehnung durch Heizung - und die Verkürzung durch Strahlungskühlung - hat zwar einen sehr schlechten energetischen Wirkungsgrad, auf der anderen Seite ist der mechanische Aufbau sehr einfach und im Orbit steht unbegrenzt Solarstrom zur Verfügung.In FIG. 6, a tether 61 is driven directly by the piezo elements 65 applied. Energy and control signal are received via a supply line. By a phase offset of the individual piezo elements 65 among one another, the ratio of the forward and backward radiated wave power can also be set. Such an interpretation is useful for "uncontrolled" tethers for stabilization and to prevent breakage. With electrical heating elements instead of the piezo elements 65 , a transverse vibration can be induced in the tether 61 in the same way. The periodic, one-sided elongation by heating - and the shortening by radiation cooling - has a very poor energy efficiency, on the other hand the mechanical structure is very simple and in orbit there is unlimited solar power available.

Die Ausführungsbeispiele in den Fig. 7 bis 9 zeigen in Seitenansicht (a) und im Querschnitt (b) Tether, die über die Wärmeeinstrahlung der Sonne zu Schwingungen angeregt werden. The exemplary embodiments in FIGS. 7 to 9 show, in side view (a) and in cross section (b), tethers which are excited to vibrate by the heat radiation from the sun.

Die Tether 71 nach Fig. 7 hat einen Rechteckquerschnitt und ist mit einer Wellenlänge L verdrillt. Eine Biegewelle mit derselben (spurangepaßten) Wellenlänge L bewirkt aufgrund der Darboux-Kopplung eine phasenversetzte Verdrehung der Tether 71 mit unterschiedlicher Erwärmung und Momenterzeugung und damit eine Schwingungsanfachung der Tether 71. Für diesen Schwingungsantrieb sind Tether-Materialien mit möglichst großem Wärmeausdeh nungskoeffizienten, mit möglichst großem Lichtabsorptions- und Emissionsvermögen und geringer Wärmeleitfähigkeit erforderlich. In Fig. 8 hat die Tether 81 Exzentermassen 85, die äquidistant über die Länge angebracht sind. Bei einer Tetherschwingung bewirken die Ex zentermassen 85 gleichzeitig eine Verdrehung der Tether 81 und damit eine unterschiedliche einseitige Erwärmung, was wie ein Schwingungsgenerator wirkt. Dieser Effekt läßt sich auch durch Schwärzung oder eine Bimetallauflage verstärken. In Fig. 9 generiert ein Torsionswel lengenerator 95 in der Tether 91 eine Torsionswelle, so daß es zu einem unterschiedlichen Einstrahlungswinkel und damit zu einer unterschiedlichen Erwärmung der Tether 91 kommt. Bei Spuranpassung wird dadurch eine Biegewelle in der Tether 91 angeregt.The tether 71 of FIG. 7 has a rectangular cross-section and is twisted with a wavelength L. A bending shaft with the same (track-adjusted) wavelength L, due to the Darboux coupling, causes a phase-shifted rotation of the tether 71 with different heating and torque generation and thus an oscillation intensification of the tether 71 . For this vibration drive, tether materials with the greatest possible coefficient of thermal expansion, the greatest possible light absorption and emissivity and low thermal conductivity are required. In FIG. 8, the tether 81 has eccentric weights 85, which are attached equidistantly along the length. In the case of a tether oscillation, the eccentric masses 85 simultaneously cause the tether 81 to rotate and thus cause a different one-sided heating, which acts like a vibration generator. This effect can also be enhanced by blackening or a bimetal layer. In Fig. 9, a Torsionswel lengenerator 95 in the tether 91 generates a torsion wave, so that there is a different angle of incidence and thus a different heating of the tether 91 . When the track is adjusted, a bending wave is excited in the tether 91 .

In den Fig. 10 und 11 sind in Seitenansicht (a) und im Querschnitt (b) zwei Fiervorrichtungen dargestellt. Die Fiervorrichtung 107 besteht aus einer starr verbundenen Doppelspule, die je nach Drehrichtung, die Tether 101 auf- oder abspult. Bei Verwendung einer elektrisch leiten den Tether sind in den Führungsrohren 104 und 104' elektrodynamische Schwingungsgene ratoren 105 und 105' untergebracht, die eine kurzwellige Tetherschwingung generiert um die Tether 101 im Nahbereich zu strecken und so ein verhedderfreies Aufrollen zu gewährleisten. Im Beispiel der Fig. 11 dagegen bestehen zwei synchron gegenläufige Spulen 117 und 117' mit den angeschlossenen Führungsrohren 114 und 114' für die Tether 111. Durch einen An trieb der Spulen 117 und 117' kann die Tether 111 so unter Zugspannung gehalten werden, daß kein Verheddern beim Einzug möglich ist. Solche Fiervorrichtungen 117 können auch als Zugentlastung dienen, da bei sehr großen Tether-Längen unkontrollierte Spannungen auftre ten, die bei Tether-Einsätzen immer wieder zum Bruch geführt haben.In Figs. 10 and 11 are shown in side view (a) and in section (b) two Fiervorrichtungen. The fiering device 107 consists of a rigidly connected double coil which, depending on the direction of rotation, winds the tether 101 up or down. When using an electrically conducting the tether, electrodynamic vibration generators 105 and 105 'are accommodated in the guide tubes 104 and 104 ', which generate a short-wave tether oscillation in order to stretch the tether 101 in the close range and thus ensure tangle-free rolling up. In the example in FIG. 11, on the other hand, there are two synchronously opposing coils 117 and 117 'with the connected guide tubes 114 and 114 ' for the tether 111 . By a drive to the coils 117 and 117 ', the tether 111 can be held under tension so that no tangling when moving in is possible. Such lubrication devices 117 can also serve as strain relief, since uncontrolled voltages occur at very large tether lengths, which have repeatedly led to breakage in tether applications.

In den Fig. 12 bis 16 sind verschiedene Tether-Ausführungen ausgelegt als akustische Ket tenleiter dargestellt, die gegenüber der konventionellen Draht- oder Leinen-Tether schwin gungstechnische Vorteile aufweisen. Bei Fig. 12 ist die Tether 121 rohrförmig und ermöglicht die Einbringung einer Steuer- oder Versorgungsleitung 128, die bei Auslegung als akustischer Kettenleiter in periodischen Abständen an der Tether 121 fixiert ist. In Fig. 13 hat die Tether 131 Massenpunkte 138. Anstelle der reaktiven Massenpunkte 138 können auch Fe dern/Massen/Dämpfer angekoppelt werden. Damit kann Wellengeschwindigkeit und Impedanz über ein weiteres Spektrum an die unterschiedlichen Einsatzanforderungen ange paßt werden. Solche Kettenleiter weisen außerdem Sperr- und Durchlaßbereiche auf, mit denen die Nutzschwingung unterstützt und Störschwingungen unterdrückt werden können. Solche Kettenleitereigenschaften weisen auch die Ausführungen nach Fig. 14 und 15 auf. Die Tether 141 hat abschnittsweise Tetherelemente 148 mit unterschiedlicher Dicke und die Tether 151 hat einen periodisch zu- und abnehmenden Querschnittsverlauf 158. In Fig. 16 setzt sich die Tether 161 aus Stäben 168 zusammen, die durch elastische Scharniere 163 verbunden sind. In die Scharniere 163 können gleichzeitig Torsionsmotore eingebaut sein über die ein Gelenkwinkel eingestellt und mit denen die Tether 161 auch zusammengefaltet werden kann. Werden die Stäbe 168 anstelle von Scharnieren mit Schraubenfedern verbun den, so wird dadurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Longitudinalwellen reduziert und damit auch diese Wellenart zum Spannen einer Tether interessant.In Figs. 12 to 16 show various Tether versions are designed as acoustic shown Ket tenleiter having over conventional wire or linen Tether oscillations supply technical advantages. In Fig. 12, the tether 121 is tubular and allows the introduction of a control or supply line 128, which is fixed to the tether 121 in interpretation as an acoustic ladder at periodic intervals. In Fig. 13, the tether 131 has mass points 138th Instead of reactive mass points 138 , springs / masses / dampers can also be coupled. This allows wave speed and impedance to be adapted to the different application requirements over a wide range. Such chain conductors also have blocking and pass regions with which the useful vibration is supported and interference vibrations can be suppressed. Such chain conductor properties are also shown in FIGS. 14 and 15. The tether 141 has tether elements 148 with different thicknesses in sections and the tether 151 has a periodically increasing and decreasing cross-sectional profile 158 . In Fig. 16, the tether 161 is composed of rods 168 which are connected by elastic hinges 163rd Torsion motors can be installed in the hinges 163 at the same time, via which a joint angle can be set and with which the tether 161 can also be folded together. If the rods 168 are connected with coil springs instead of hinges, the speed of propagation of longitudinal waves is thereby reduced and this type of wave is also interesting for tensioning a tether.

In den Fig. 17 bis 20 sind spezielle Anwendungsfalle von Tether-Manipulatoren skizziert. In Fig. 17 ist ein Tether-Knoten - in diesem Beispiel - mit drei Tethern 171, 171' und 171'', die über Scharniere 173 miteinander verbunden sind, dargestellt. Die Enden der Tethern 171 sind wieder mit Hornadaptern 172 bzw. Reflektoren 176 abgeschlossen und die von den Schwin gungsgeneratoren 175 induzierten Wellen halten die Tethern 171 gespannt. Damit gelingt es, im schwerefreien Raum starre, räumliche Konstruktionen aufzuspannen. In Fig. 18 geht es darum, einen außer Kontrolle geratenen, taumelnden Satelliten 180 wieder zu stabilisieren. Dazu wird an dem Satelliten 180 eine Doppel-Tether 181 und 181' mit den Hornadaptern 182 und 182' befestigt. Durch einen Schwingungsgenerator 185 zu Schwingungen angeregt, spannen sich die Tethern 181 und 181', so daß das Massenträgheitsmoment der Endkörper 189 und 189' die Taumelbewegung reduziert. Die Endkörper 189 und 189' mit Steuerdüsen versehen kann jede geforderte Drallbilanz am Satelliten 180 eingestellt werden. Da bei gro ßen Tether-Längen nur geringe Schubimpulse notwendig sind, können die Steuerdüsen auch durch die einfacheren, elektrisch beheizten Abdampfaggregate ersetzt werden. In Fig. 19 ist für Manipulationen im elektromagnetischen Feld der Erde eine geschlossene, ringförmige Tether 191 aufgespannt. An einer - oder bei größeren Kreisdurchmessern an mehreren - Stellen befindet sich ein Hornadapter 192 mit einem aufgesetzten Schwingungsgenerator 195. Der Impuls der Tether-Welle ergibt bei einer geschlossenen Tether 191 eine zentrifugale Kraft, die die Ringform aufrecht erhält und stabilisiert. In Fig. 20 geht es um die Entsorgung eines ausgedienten Satelliten 200. Dieser ist über eine Leine 204 mit einen Bremsfallschirm 209, der in die obere Atmosphäre eintaucht verbunden. Analog zu Fig. 19 wird zur Aufspan nung und Stabilisierung des Bremsfallschirms 209 eine ringförmige Tether 201 mit Hor nadapter 202 und Schwingantrieb 205 verwendet.In Figs. 17 to 20 specific application case of Tether manipulators are sketched. In Fig. 17, a tether nodes - in this example - with three to tether 171, 171 'and 171' 'which are connected to one another via hinges 173, is shown. The ends of the tether 171 are again closed with horn adapters 172 or reflectors 176 and the waves induced by the vibration generators 175 keep the tether 171 excited. This enables rigid, spatial constructions to be spanned in the gravity-free room. In Fig. 18, the aim is to stabilize an out of control, tumbling satellite 180 again. For this purpose, a double tether 181 and 181 'with the horn adapters 182 and 182 ' is attached to the satellite 180 . Excited by a vibration generator 185 to vibrate, the tethers 181 and 181 'tension so that the mass moment of inertia of the end bodies 189 and 189 ' reduces the wobble movement. The end bodies 189 and 189 'provided with control nozzles, any swirl balance required on the satellite 180 can be set. Since only small shear impulses are required for large tether lengths, the control nozzles can also be replaced by the simpler, electrically heated exhaust steam units. In Fig. 19 is a closed circular Tether 191 is clamped to manipulation in the electromagnetic field of the earth. A horn adapter 192 with an attached vibration generator 195 is located at one - or in the case of larger circle diameters at several - locations. When the tether 191 is closed, the impulse of the tether wave results in a centrifugal force which maintains and stabilizes the ring shape. In Fig. 20 it comes to the disposal of an old satellite 200th This is connected via a line 204 to a brake parachute 209 , which is immersed in the upper atmosphere. Analogously to FIG. 19, an annular tether 201 with horn adapter 202 and oscillating drive 205 is used for clamping and stabilizing the brake parachute 209 .

Claims

1. manipulator system in the gravity-free space formed by a tether which can be held taut by introducing mechanical string and / or bending vibrations and moved like a rigid beam, characterized in that the manipulator arm consists of two or more tether sections X1, X1 ', X1 ''. . . is formed with constant lengths, each at the end of the tether in acoustic horn adapters X2, on which vibration exciters X5 are attached or in wave reflectors X6, and the tether sections X1, X1 ', X''. . . hinges X3 can be rotated and positioned against each other around all three spatial axes.

2. manipulator system according to claim 1, characterized in that with the Trä satellite X0 and / or Impe related to the sub-satellite X9 danzadaptoren X2 or reflector X6 vibrationsmä by a vibration isolator X4 are decoupled and that the vibration isolator X4 is positioned so that the tether Force is aligned by the center of gravity of the carrier satellite so as not to transmit any interference torque gene.

3. manipulator system according to claims 1 and 2, characterized in that the Vibration generator X5 is attached to the impedance adapter X2 and consists of two individually driven unbalance X8, whose axes of rotation are preferably parallel or lower are right to the impedance adapter X2 and the linear polarity due to synchronous counter rotation or an elliptically polarized wave in the tether X1 induce.

4. Manipulator system according to claims 1 to 3, characterized in that there are also two impedance adapters 42 , to which two oscillation generators 45 and 45 'are attached, which operate with a spectral phase difference with one another in order to avoid interference vibrations between two tether sections 41 and 41 ' can be, so that a spectral vibration power with adjustable forward / reverse ratio is introduced into the tether sections 41 and 41 '.

5. manipulator system according to claims 1 to 4, characterized in that as a relay station between two tether sections 51 and 51 'are two impedance adapters 52 which are connected by a hinge 53 and are excited by the torque generator 55 to tether vibrations.

6. Manipulator system according to claims 1 to 5, characterized in that a tether 61 is covered with piezo films 65 or the other vibration generators X5 and these can be controlled individually with an adjustable spectral phase difference, so that tether vibrations are emitted with an adjustable forward / reverse ratio can.

7. manipulator system according to claims 1 to 6, characterized in that the tether 71 has a biaxial, different moment of inertia and is twisted, so that in a tether oscillation due to the Darboux coupling and the track adjustment, there is also a torsional vibration through which it occurs a one-sided, changing heating and expansion of the tether 71 as a result of solar radiation and thereby a self-controlled vibration intensification.

8. manipulator system according to claims 1 to 7, characterized in that 81 eccentric masses 85 are attached to the tether, so that there is also a torsional vibration during a tether oscillation and by which there is a one-sided, changing heating and expansion of the tether 81 due to solar radiation and this leads to a self-controlled vibration increase when adjusting the track.

9. manipulator system according to claims 1 to 8, characterized in that a tether 91 and 91 'is rotated by a periodic drill mechanism 95 and through which there is a one-sided, alternating heating and expansion of the tether 91 due to sun radiation and thereby to a controlled Vibration stimulation comes.

10. Manipulator system according to claims 1 to 9, characterized in that two rigidly connected rollers 107 and 107 'and two guide tubes 104 and 104 ' are used for rolling out and rolling in the tether 101 and 101 '. B. electrodynamically operated vibration generators 105 and 105 'stimulate the electrically conductive tether 101 and 101 ' to vibrate in order to stretch them and to avoid tangling when rolling in and out.

11. Manipulator system according to claims 1 to 10, characterized in that two counter-rotating rollers 117 and 117 'and two guide tubes 114 and 114 ' are used for rolling in and rolling out the tethers 111 and 111 'to which Schwingungsgenera gates 115 and 115th 'are located, which initiate a high-frequency vibration in the tethers 111 and 111 ' to stretch them in the close range to avoid tangling.

12. Manipulator system according to claims 1 to 11, characterized in that the tether 121 for receiving supply and control lines 128 is made hollow and is fixed in periodic intervals according to the regulation of the acoustic chain conductor.

13. Manipulator system according to claims 1 to 12, characterized in that the tether 131 is constructed as an acoustic chain conductor and has mass points 138 in a preferably equidistant distance.

14. Manipulator system according to claims 1 to 13, characterized in that the tether 141 is constructed as an acoustic chain conductor and has different mass assignments, different stiffness and / or different cross section 148 in sections.

15. Manipulator system according to claims 1 to 14, characterized in that the tether 151 is designed as an acoustic waveguide with periodically varying mass assignment, stiffness and / or cross-sectional profile.

16. Manipulator system according to claims 1 to 15, characterized in that the tether 161 is constructed from rigid sections 162 , which are connected by hinges 163 and the hinge angle are adjustable by built-in motors 165 and the tether 161 can also be folded.