DE19825785C2

DE19825785C2 - Solarsegler mit Segelfolie und Faltrohren

Info

Publication number: DE19825785C2
Application number: DE19825785A
Authority: DE
Inventors: Wilm Felix Unckenbold; Axel Herrmann; Arno Pabsch
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1998-06-10
Filing date: 1998-06-10
Publication date: 2000-04-27
Anticipated expiration: 2018-06-11
Also published as: DE19825785A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Solarsegler mit einer Segelfolie und mehreren diese Segelfolie aufspannenden Faltrohren.

Solarsegler, auch Sonnensegler oder englisch Solar Sails genannt, sind Raum fahrtgeräte. Sie nutzen die Impulsübertragung von Photonen auf einen passi ven, großflächigen Reflektor als Antriebskonzept. Infolgedessen kann auf ein aktives Antriebssystem, sowie den hierfür benötigten Treibstoff verzichtet wer den, was die in den Orbit zu befördernde Masse entsprechend dramatisch redu ziert. Technologisch ist es erforderlich, sehr großflächige Segelfolien einzuset zen, die beispielsweise Abmessungen von 100 m × 100 m besitzen. Derartige Flächen können nicht in aufgefalteter Form vom Erdboden in den Orbit ver bracht werden. Entsprechend muß vor der Überführung in den Orbit eine zu sammengefaltete Struktur eingesetzt werden.

Dabei ist in erster Linie und beispielsweise in der DE 29 47 656 A1 daran ge dacht worden, fachwerkähnliche Strukturen mit entsprechend leichtgängig auf faltbaren Scharnieren einzusetzen, zwischen denen dann in einer noch zu ent wickelnden Form die Segel aufzuspannen wären. Die stabilen Teile der Struktu ren, die etwa den Masten oder Bäumen eines klassischen Segelschiffes ent sprechen, 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. Das 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 Raumfahrt industrie 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 form schlüssig eingeschoben. Die beiden Stahlstreifen können flach und quer zu ihrer Längsachse auf einer Trommel aufgewickelt werden, beim Abwickeln ent steht dann ein formschlüssiger runder Querschnitt von gewisser Stabilität. Der artige Konstruktionen sind recht stabil, aber auch schwer, während die Biege und Torsionssteifigkeit nur begrenzte Werte annehmen kann.

Von G. Barthel und G. La Roche ist auf der Third International Conference of Space Technologiy im Mai 1971 in Rom eine weitere Konzeption vorgeschlagen worden, veröffentlicht als MBB-Bericht UR-66-71. Hier wird ein folienartiger Schlauch flach auf eine Trommel aufgewickelt. Dieser Schlauch wird im Weltraum unter den dortigen Druckverhältnissen durch Zufuhr eines zuvor gespeicherten Gases mit einem Innendruck aufgeblasen, wodurch er sich abwickelt und eine vorübergehend stabile, längsaxiale Konstruktion bildet. Dann härtet ein mitgeführtes Harz unter den Weltraumbedingungen diesen nun aufgeblasenen Schlauch aus, so daß eine mittelfristig steife Konstruktion entsteht. Dies ist zum einen konstruktiv ungünstig, da sowohl Gase als auch Harze mitgeführt werden müssen, und zum zweiten auch aufgrund der recht zahlreichen Randbedingungen zum Funktionieren sehr empfindlich und fehleranfällig. Gedacht ist eine solche Konstruktion zum Tragen von Solarzellen beschränkter Größe, wofür eine ganze Reihe von zusätzlichen strukturverstärkenden Elementen eingesetzt werden sollen.

Es ist außerdem schon verschiedentlich in Vorträgen daran gedacht worden, für Solarsegler statt der oben beschriebenen fachwerkähnlichen Strukturen eine aufrollbare, elastische und sich im Orbit selbst abrollende Kon struktion vorzusehen. Bei einem solchen Vortrag von J. Unda, J. Weisz, J. Riva coba, I. Ruiz Urien, R. S. Capitanio auf dem 43^rd Congress of the International Astronautical Federation 1992 in Washington D. C./USA ist beispielsweise ein bi convexes Faltrohr beschrieben worden, das flach zusammengepreßt und in die sem Zustand auf einer Trommel aufgerollt werden kann. Als Material war eine Kupfer-Beryllium-Legierung vorgesehen. Die beiden Hälften des bi-convexen Faltrohres sollen an ihren Schultern mittels Widerstandsschweißen miteinander verbunden werden. Während des Abwickelns von der Trommel springen die beiden zuvor zusammengepreßten Hälften wieder in ihre ursprüngliche bi convexe Form zurück und bilden so eine rohrähnliche Struktur, die dann die Segel tragen könnte. Die theoretisch interessanten Überlegungen berücksichti gen aber noch nicht hinreichend die Gewichtsproblematik und die äußeren Randumstände beim Betrieb im luftleeren, gravitationsfreien Raum unter extre men Randbedingungen etwa bezüglich der Temperatur. Zu realisierbaren Vor schlägen ist es daher bisher noch nicht gekommen.

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen realisierbaren Sonnensegler vorzuschlagen, der leichter ist als die bekannten, mit zusammenfaltbaren Scharnieren ausgerüsteten Vorschläge.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Solarsegler mit einer Segelfolie und mehreren diese Segelfolie aufspannenden Faltrohren, 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 Halb schalen sind in den aneinander angrenzenden Flächenbereichen planar ausge bildet und es schließen sich an die planaren Flächenbereiche jeweils nach au ßen 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. Die ses wird dann in den Orbit mit üblichen Mittel 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.

Die grundsätzliche Funktion eines Faltrohrs besteht dabei darin, daß es die Se gelfolie beim Entfalten führt und im entfalteten Zustand im Weltraum stabilisiert und zugleich für die Übertragung der Kräfte und Richtungsänderungen heran gezogen wird, denn die extrem dünne und auch flexible Segelfolie wäre dazu weder gedacht noch in der Lage.

Das Faltrohr ist also im entfalteten Zustand bevorzugt möglichst biegesteif, trotzdem aber sehr leicht. Trotz der sehr guten, die Biegesteifigkeit erhöhenden Eigenschaften eines unidirektionalen Faserverbundwerkstoffes ist es bevorzugt, wenn der Grundaufbau der Struktur des Faltrohres aus einem mehrschichtigen Laminat, insbesondere einem dreischichtigen Laminat besteht.

Dadurch kann nämlich einem temperaturbedingten Effekt im Weltraum ent scheidend entgegengewirkt werden. Auf der sonnenzugewandten Seife des Solarseglers ist die Temperatur um 300 Kelvin höher als auf der sonnenabge wandten "Schattenseite". Bei gleichem Materialaufbau auf beiden Seiten mit einem sich bei Wärmezufuhr ausdehnendem Material, also positiven Wär meausdehnungskoeffizienten, würde der Faserverbundwerkstoff das Faltrohr auf der sonnenabgewandten Seite zu verkürzen und auf der sonnenzuge wandten Seite zu verlängern suchen. Bei negativen Wärmeausdehnungskoeffi zienten wäre es umgekehrt. In beiden Fällen würde es zu stark durchgebogenen Faltrohren und etwa sonnenschirmähnlichen Formen der Segelfolie führen. Da durch würde die präzise vorhersagbare plane Fläche des Solarseglers ebenso drastisch gestört werden wie die Steuerbarkeit.

Bei Hindurchtreten durch den Schlagschatten der Erde, des Mondes oder ande rer Himmelskörper kommt es nämlich zu dramatischen Temperaturstürzen und es ist anzunehmen, daß die ja sehr leichten und langen Bauteile allein schon durch die entsprechenden Wärmeausdehnungs- und kontraktionsprozesse zu kaum kontrollierbaren und darüber hinaus ja auch durch nichts gedämpften Schwingungen angeregt werden.

All dem begegnet die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung. Ein zwei-, besser noch dreischichtiges Laminat mit verschieden ausgerichteten Faservor zugsrichtungen läßt sich so ausbalancieren, daß der Wärmeausdehnungs koeffizient in jeder Richtung gleich Null ist. Tendenziell nämlich werden die Kohlenstoffasern eines Verbundwerkstoffes mit steigender Temperatur kürzer, während sich die sie umgebende Matrix ausdehnt, insgesamt also würde ein unidirektionaler Kohlenstoffaserverbundwerkstoff dabei kürzer und breiter.

Eine verschieden ausgerichtete mehrschichtige Faserstruktur kann also so aus gelegt werden, daß sie gerade in alle Richtungen gleich große Verkürzungen und Ausdehnungen erfährt bzw. die Effekte durch die zusätzlichen unidirektio nalen Verstärkungen ausgleicht.

Dies ist insbesondere dann möglich, wenn das mehrschichtige Material der bei den Halbschalen ein dreischichtiger Faserverbundwerkstoff ist, wobei zwischen je einer ±45° gewickelten Schicht eine mittlere mit quer zur Längsachse des Faltrohres orientierter Fasereinrichtung versehene Schicht vorgesehen ist.

Besonders bevorzugt ist es, wenn die planar ausgebildeten Flächenbereiche der beiden Halbschalen mittels einer Zwischenschicht miteinander verbunden sind, die aus einem unidirektionalen Faserverbundwerkstoff besteht, dessen Faser orientierung parallel zur Längsachse des Faltrohres verläuft. Auf diese Weise kann nämlich der Vorteil des unidirektionalen Faserverbundwerkstoffes zur zu sätzliche Biegesteifigkeit ausgedehnt werden, und zwar besonders geschickt und mit geringem Materialeinsatz. Das Bestreben nach möglichst geringer spe zifischer Masse pro Längserstreckung ist hier zu beachten.

Bevorzugt ist es auch, wenn die elliptisch geformten Flächenbereiche einer oder beider Halbschalen mittels einer zusätzlichen Schicht verstärkt sind, die aus einem unidirektionalen Faserverbundwerkstoff besteht, dessen Faserorientie rung parallel zur Längsachse des Faltrohres verläuft.

Diese Ausführungsform, insbesondere zugleich kombiniert mit den unidirektio nalen Faserverbundwerkstoffen in den planaren Flächenbereichen, optimiert weiter die Eigenschaften der Faltrohre.

Vorzugsweise sind alle Faltrohre auf der gleichen Trommel aufgewickelt, wenn sie im aufgerollten Zustand sind. Dabei ist es besonders günstig, wenn die Trommel im Zentralmodul des Solarseglers befestigt ist, das zur Steuerung ein gesetzt werden kann. Auf diese Weise wird das Gesamtgewicht minimiert, bei maximal möglicher zuverlässiger Steuerbarkeit.

Eine zuverlässige Abrollbarkeit wird außerdem besonders dann gewährleistet, wenn die Trommel eine zur Ebene der Segelfolie senkrechte Drehachse besitzt. Jedes theoretisch denkbare Verheddern der Faltrohre und der Segelfolie miteinander wird so vermieden. Dabei ist es bevorzugt, wenn die Faltrohre an voneinander auf dem Umfang des Körpers der Trommel getrennt, vorzugsweise äquidistant, angeordneten Anknüpfungspunkten ansetzten und in identischer Drehrichtung in der gleichen Wicklung umeinander aufgewickelt sind sowie dem äußersten Wicklungsbereich in vorzugsweise äquidistanten Ablösepunkten je weils tangential veranlassen.

Die Anbindung der Faltrohre an die Trommel erfolgt mit maximalem Querschnitt (= maximaler Biegesteifigkeit), so daß das Faltrohr nach dem Entfalten eine über die Länge kostante Biegesteifigkeit aufweist.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erörtert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Solarseglers im Orbit;

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines teilweise aufgerollten Faltrohrs;

Fig. 3 einen Schnitt durch ein abgerolltes Faltrohr; und

Fig. 4 einen Schnitt durch den Zentralbereich mit teilweise aufgerollten Falt rohren.

In Fig. 1 ist der Solarsegler in seiner aufgefalteten, betriebsbereiten Stellung im Orbit dargestellt. Diese Stellung nimmt er also ein, nachdem er vollständig aufgefaltet ist. Er besitzt eine Segelfolie mit einer Fläche von beispielsweise 10000 m². Diese Fläche wird durch die Aufspannung eines Quadrates mit Kan tenlängen von 100 m erreicht. Die Kanten 11, 12, 13 und 14 der Segelfolie 10 sind in diesem Beispiel jeweils 100 m lang; selbstverständlich sind je nach Funktionsweise, Typ oder Last auch andere Kantenlängen möglich.

Die Segelfolie 10 besteht aus einem metallbedampften hochplastischen Polyi mid oder einem anderen temperaturbeständigen Polymerwerkstoff. Extrem dünne metallische Folien wären prinzipiell auch geeignet.

Eine quadratische Anordnung ist gegenüber alternativ auch möglichen dreiecki gen, fünfeckigen, achteckigen oder anderen Formen bevorzugt, da sich ein be sonders günstiges Verhältnis von Fläche zu Masse unter Berücksichtigung der zusätzlichen, nicht antriebsbeitragenden Faltrohre ergibt.

Genau in der Mitte der Segelfolie 10 befindet sich der Mittelpunkt 18, der gleich zeitig auch der Schnittpunkt der beiden Flächendiagonalen der aufgespannten Segelfolie 10 ist. In diesem Mittelpunkt ist ein Zentralmodul 18 angeordnet, das während des Transportes in den Weltraum die Nutzlast, die Meßgeräte oder sonstigen zu transportierenden Raumfahrtelemente enthält und - wie später erörtert wird - auch die Faltrohre und die Segelfolie in sich aufnimmt. An dem Zentralmodul 18 setzt ein Zentralmast 19 an, der eine Satellitenplattform 20 trägt. Er belastet dadurch den Schwerpunkt der Segelfolie 10. Auf diese Weise läßt sich der Solarsegler auch besonders gut und vorhersagbar präzise steuern. Dabei wird der Zentralmast 19, der vom Zentralmodul 18 getragen wird, relativ zur Ebene der Segelfolie 10 schwenkbar ausgelegt, kann also leicht aus dem Mittelpunkt 18 herausbewegt werden. Der Zentralmast 19 ist dabei insbesondere über ein Gelenk am Zentralmodul 18 befestigt. Diese Asymmetrie von Massenzentrum und Druckzentrum wird dann zum gezielten Steuern genutzt. Am Zentralmast 19 ist am anderen Ende die Satellitenplattform 20 angeordnet.

Zugleich gehen von dem Mittelpunkt 18 die Flächendiagonalen aus, auf denen jeweils Faltrohre 21, 22, 23 und 24 angeordnet sind. Jedes Faltrohr verbindet den Mittelpunkt 18 mit einem der Eckpunkte der Segelfolie 10. Je zwei Faltrohre 21, 23 bzw. 22, 24 nehmen damit vollständig eine Flächendiagonale ein.

In diesem Zustand sind die Faltrohre 21, 22, 23 und 24 vollständig abgerollt und sie spannen die Segelfolie vor. Nennenswerte mechanische Belastungen treten im Regelfalle in diesem Zustand nicht auf. Die ausgeübten Kräfte sind in erster Linie diejenigen, die durch die Impulsübertragung der Photonen entstehen; diese Kräfte können kein Aufrollen der Faltrohre bewirken.

Spannkräfte der Folie führen zu Knickbeanspruchungen der Faltrohre, so daß eine hohe Biegesteifigkeit zu fordern ist.

Die Segelfolie 10 besteht aus vier voneinander getrennten, jeweils gleich schenklig dreieckigen Einzelfolien 41, 42, 43 und 44. Jede dieser Einzelfolien ist mit ihrer entsprechenden Außenkante 11, 12, 13 bzw. 14, die zugleich die Hypothenuse des Dreiecks bildet, an den ausgefahrenen Endpunkten der beiden zu ihr benachbarten Faltrohre befestigt. Der dritte Eckpunkt des Dreiecks jeder Einzelfolie ist im Bereich des Mittelpunktes 18 der Flächendiagonalen befestigt. Zwischen den befestigen Punkten, also längs der beiden Katheten jedes Dreiecks, ist die jeweilige Einzelfolie 11, 12, 13, 14 der Segelfolie 10 frei und unbefestigt. Eine Fixierung ist jedoch prinzipiell denkbar, wodurch erhöhte Anforderungen an den Entfaltungsmechanismus gestellt werden.

Eine Befestigung würde die Entfaltung der Faltrohre 21, 22, 23, 24 erschweren, die noch erörtert wird, ist andererseits im entfalteten Zustand aber auch ohne größeren Nutzen. Zu berücksichtigen ist dabei, daß die Umgebung luft- und praktisch materialfreier Raum ist, also keine Windkraft aufgefangen und in die Faltrohre abgeleitet werden soll. Im Gegenteil wäre es unter Umständen mög lich, aufgefangene Materiekleinstpartikel, die das austarierte Gleichgewicht stö ren könnten, geeignet wieder aus der Ebene auszuschleusen und so durch die "Schlitze" in der Segelfolie 10 durchtreten zu lassen.

Fig. 2 zeigt rein schematisch und nicht maßstabsgetreu eine schematische Ansicht eines teilweise aufgerollten Faltrohres gemäß den Faltrohren 21, 22, 23 und 24. Auf der linken Seite des Bildes ist das Faltrohr in seinem entfalteten Zustand zu erkennen. Auf der rechten Seite ist es aufgerollt. Der in der Fig. 2 dargestellte Zustand wird daher auf Dauer nicht eingenommen, sondern ledig lich kurzfristig während des Abrollens im Orbit bzw. während der Vorbereitung des Solarseglers vor dem Start unten auf der Erde.

Zu erkennen ist, daß jedes Faltrohr aus zwei Halbschalen 31, 32, nämlich einer Oberseite 31 und einer Unterseite 32 besteht. Beide schließen miteinander im aufgerollten Zustand einen Hohlraum 33 ein. Im zusammengerollten Zustand kommt die Oberseite 31 in einer Rolle 34 innen zu liegen, während die Unter seite 32 die Außenseite der Rolle 34 bildet. Der Hohlraum 33 wird durch flaches Zusammenpressen der Oberseite 31 und der Unterseite 32 im zusammenge rollten Zustand in der Rolle 34 praktisch wegreduziert.

Im entspannten Zustand bildet sich automatisch aufgrund der Vorspannung der Hohlraum 33 wieder aus und die Rolle 34 rollt sich ab. Dieses Abrollen läuft so gar so schnell ab, daß bevorzugterweise ein Hilfsmotor (nicht dargestellt) brem send eingreift, um durch die hohen Beschleunigungs- und anschließend Ab bremskräfte beim rein selbsttätigen Abrollen nicht eine Beschädigung der daran befestigten Einzelfolien 41, 42, 43, 44 zu riskieren.

In der Fig. 3 sind die näheren Details des Faltrohres im Einzelnen dargestellt.

Die Faltrohre sind im mathematischen Sinne zylindrische Bauelemente. Ihre Querschnitte sind also in Richtung der Längsachse gehen im wesentlichen kon stant, abgesehen von den Phasen des Aufrollen und Abrollens. Wie bei Rohren üblich, besitzen sie große gewichtsbezogene Biege- und Torsionssteifigkeiten. Sie können längs ihrer Hauptachse flach zusammengedrückt werden, sind so sehr biege- und torsionsweich und lassen sich dann leicht als flaches Band aufrollen. Das für die Praxis entscheidende Verhältnis von Masse pro Länge eines Faltrohres liegt bei etwa 60 g/m.

Der Querschnitt des bi-convexen Faltrohres aus Fig. 3 zeigt, das sowohl die Oberseite 31 als auch die Unterseite 32 jeweils von einer durchgehenden Halb schale gebildet werden, die aus einem im wesentlichen einheitlichen Material, insbesondere kohlenstoffaserverstärktem Kunststoff, besteht. Es kann ein mehrschichtiges Material sein, die Wandstärke t₂ der Schale ist über den Quer schnitt jedoch weitgehend konstant. Eine typische Wandstärke t₂ läge etwa bei 60 µm.

Das mehrschichtige Material ist vorzugsweise dreischichtig mit je einer ±45° gewickelten Schicht sowie einer zusätzlichen quer oder längs zur Längsachse des Faltrohres orientierten dritten Schicht, die zwischen beiden ±45° orientierten Schichten angeordnet sind.

Die beiden Halbschalen der Oberseite 31 und der Unterseite 32 sind nicht direkt miteinander verklebt, sondern besitzen einen Zwischenraum, der mit einer Schicht 38 aus einem anderem Material, nämlich einem unidirektionalen Koh lenstoffasenverbundwerkstoff, versehen ist. Die Dicke dieser unidirektionalen Schichten beträgt t₁ und ist links und rechts vom Hohlraum 33 jeweils gleich dick und beträgt typisch um etwa 90 µm. Die Faserrichtung der unidirektionalen (UD)-Schicht 38 ist parallel zur Längsachse des Faltrohres. Dies erhöht die Biegesteifigkeit, also den Widerstand des Faltrohres gegen ein Aufwickeln.

Die Oberseite 31 und die Unterseite 32 setzen sich im Schnitt aus verschiede nen planaren, kreisförmigen und elliptischen Flächenbereich als Querschnitt zusammen.

Während außen ein planarer Flächenbereich 35 vorliegt, geht dieser nach innen in einen kreisförmigen Flächenbereich 36 mit dem Radius R über, an den sich ein elliptischer Flächenbereich 35 anschließt. Die Ellipse besitzt den Halbmesser a parallel zum planaren Flächenbereich 35 und Halbmesser b senkrecht dazu.

Der elliptische Flächenbereich 37 setzt sich dann spiegelsymmetrisch auf der anderen Seite der Halbschalen der Oberseite 31 und der Unterseite 32 entspre chend fort. Er geht wiederum in einen weiteren kreisförmigen Flächenbereich 36 mit dem Radius R über. Auch dieser ist in der bevorzugten Ausführungsform ein Viertelkreis, so wie auch der elliptische Flächenbereich 37 eine Halbellipse dar stellt. Daraus folgt, daß im Übungsbereich der Flächenbereiche 36 und 37 im entspannten, abgerollten Zustand der Faltrohre die Tangente etwa senkrecht zum planaren Flächenbereich 35 steht. Zugleich wechselt dort die Krümmungs richtung.

An diesen zweiten kreisförmigen Flächenbereich 36 schließt sich ein zweiter planarer Flächenbereich 35 an. Die je zwei planaren Flächenbereiche 35 jeder Halbschale liegen den planaren Flächenbereiche 35 der anderen Halbschale genau gegenüber, hier sind die schon erwähnten Zwischenschicht 38 mit ihrer dicke t₁ und der Breite c vorgesehen, die der Breite der planaren Flächenberei che 35 entspricht. In dem Bereich der planaren Flächenbereiche 35 kann zu sätzlich zu einer Verklebung oder anderen Verbindung auch noch eine Befesti gung der Oberseite 31 mit der Unterseite 32 der Faltrohre erfolgen.

Zwischen den Flächenbereichen 36 und 37 der beiden Halbschalen bildet sich der Hohlraum 33. Innerhalb des Hohlraums und in dem flachsten Teil der ellip tisch Flächenbereiche 37 ist eine zusätzliche Schicht 39 über einen Winkelbe reich.

Jeder einzelne Flächenbereich 35, 36 und 37 berücksichtigt, daß das Produkt aus Breite multipliziert mit der Höhe des Querschnitts möglichst gering ist, um die spezifische Masse, also hier das Verhältnis von Masse zu Länge, klein zu halten.

Insgesamt entstehen durch diese Konzeptionen Biegesteifigkeiten von mehr als 7000 Nm², extrem hohe Werte für Ultraleichtbau.

Besonders bevorzugt ist es, wenn alle Parameter a, b, c, R, t₁, t₂, t₃ so aufein ander abgestimmt sind, daß um alle Achsen des Faltrohrs die gleichen Biege steifigkeiten entstehen.

Fig. 4 zeigt, wie die vier Faltrohre 21, 22, 23 und 24 auf eine allen vier ge meinsame, also eine die gesamte Masse reduzierende, Trommel 50 aufgerollt sind, die auch im entfalteten Zustand Teil des Zentralmoduls auch im Mittelpunkt 18 ist und an der der Zentralmast 19, mit der Satellitenplattform 20 befestigt ist.

Die Drehachse 51 der Trommel 50 steht dabei senkrecht zur Segelfolie 10. Die vier Faltrohre 21, 22, 23, 24 sind am Körper der Trommel 50 in der gleichen Ebene senkrecht zur Achse 51, aber um jeweils 90° versetzt befestigt, und zwar so, daß die planaren Flächenbereiche 35 aller vier Faltrohre zwar senkrecht zueinander, aber jeweils parallel zur Achse 51 liegen. An den vier Ansatzpunk ten ist jedes Faltrohr im aufgefalteten Zustand und geht dann sofort bis zur er sten Biegung in den zusammengefalteten Zustand über. In diesem flachen, leicht biegbaren Zustand sind dann alle vier Faltrohre umeinander gewickelt. Ein Schnitt von der Drehachse 51 radial nach außen gezogen würde also wiederholt durch alle vier Faltrohre in stets der gleichen Reihenfolge hindurchgehen.

In radialen Abständen von jeweils 90° versetzt verlassen dann die vier Faltrohre 21, 22, 23, 24 die Windungen um die Trommel 50 jeweils tangential nach au ßen. Dabei falten sie sich sukzessive auf und laufen durch je zwei miteinander kämmende und über einen Hilfsmotor angetriebene zahnradähnliche Walzen 53, 54, die auf einen der planaren Flächenbereiche 35 einwirken und sowohl bremsend als auch ziehend arbeiten können.

Bezugszeichenliste

10

Segelfolie

11

Außenkanten von

10

12

Außenkanten von

10

13

Außenkanten von

10

14

Außenkanten von

10

18

Mittelpunkt von

10

und Zentralmodul

19

Zentralmast

20

Satellitenplattform

21

Faltrohr (boom)

22

Faltrohr (boom)

23

Faltrohr (boom)

24

Faltrohr (boom)

31

Oberseite des Faltrohres

32

Unterseite des Faltrohres

33

Hohlraum

34

Rolle

35

planarer Flächenbereich

36

kreisförmiger Flächenbereich

37

elliptische konvexer Flächenbereich

38

Zwischenschicht bei

35

39

Zusätzliche Schicht bei

37

41

Einzelfolie

42

Einzelfolie

43

Einzelfolie

44

Einzelfolie

50

Trommel

51

Drehachse von

50

53

Walze

54

Walze
a Halbmesser von

37

parallel zu

35

b Halbmesser von

37

senkrecht zu

35

c Breite von

38

R Radius von

36

t₁

Dicke von

38

t₂

Dicke von

32

t₃

Dicke von

39

Claims

1. Solarsegler mit einer Segelfolie (10) und mehreren diese Segelfolie (10) auf spannenden Faltrohren (21, 22, 23, 24),
bei dem die Faltrohre (21, 22, 23, 24) eine aufrollbare Faltrohrstruktur besit zen, bei denen der Querschnitt jedes Faltrohres (21, 22, 23, 24) bi-convex ist und aus zwei Halbschalen (31, 32) besteht,
bei dem die beiden Halbschalen (31, 32) in den aneinander angrenzenden Flächenbereichen (35) planar ausgebildet sind, sich an die planaren Flä chenbereiche (35) jeweils nach außen gebogene Flächenbereiche (36) an schließen und diese über convex elliptisch geformte Flächenbereiche (37) miteinander verbunden sind.

2. Solarsegler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halbschalen (31, 32) aus einem mehrschichtigen Material bestehen.

3. Solarsegler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das mehrschichtige Material der beiden Halbschalen (31, 32) ein dreischichtiger Faserverbundwerkstoff ist, wobei eine mit +45° Faserrich tung relativ zur Längsachse des Faltrohres (21) orientierte erste Schicht von einer in Richtung der Längsachse des Faltrohres (21) orientierten zweiten und einer in -45° Faserrichtung relativ zur Längsachse des Faltrohres (21) orientierten dritten Schicht gefolgt ist, gesehen jeweils von der Innenseite des Faltrohres (21) nach außen.

4. Solarsegler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die planar ausgebildeten Flächenbereiche (35) der beiden Halbschalen mittels einer Zwischenschicht (38) miteinander verbunden sind, die aus ei nem unidirektionalen Faserverbundwerkstoff besteht, dessen Faserorientie rung parallel zur Längsachse des Faltrohres (21) verläuft.

5. Solarsegler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elliptisch geformten Flächenbereiche (37) einer oder beider Halb schalen mittels einer zusätzlichen Schicht (39) verstärkt sind, die aus einem unidirektionalen Faserverbundwerkstoff besteht, dessen Faserorientierung parallel zur Längsachse des Faltrohres (21) verläuft.

6. Solarsegler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß um alle Achsen der Faltrohre (21, 22, 23, 24) die gleichen Biegesteifig keiten vorliegen.

7. Solarsegler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Mittelpunkt (18) des Solarseglers ein Zentralmast (19) schwenkbar befestigt ist, vorzugsweise mittels eines Gelenkes, und daß die Schwenkbarkeit des Zentralmastes (19) zur Steuerung des So larseglers einsetzbar ist.

8. Solarsegler nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß alle Faltrohre (21, 22, 23, 24) auf der gleichen Trommel (50) aufgewic kelt sind, wenn sie im aufgerollten Zustand sind.

9. Solarsegler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (50) in einem Zentralmodul (18) im Mittelpunkt des Solar seglers angeordnet ist.

10. Solarsegler nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Trommel (50) eine zur Ebene der Segelfolie (10) senkrechte Dreh achse besitzt.

11. Solarsegler nach einem der vorstehenden Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltrohre (21, 22, 23, 24) an voneinander auf dem Umfang des Kör pers der Trommel (50) getrennt, vorzugsweise äquidistant, angeordneten Anknüpfungspunkten ansetzen und in identischer Drehrichtung in der glei chen Wicklung umeinander aufgewickelt sind sowie den äußersten Wick lungsbereich in vorzugsweise äquidistanten Ablösepunkten jeweils tangen tial verlassen.

12. Solarsegler nach Anspruch 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Faltrohre (21, 22, 23, 24) an die Trommel (50) derart angebunden sind, daß der Querschnitt der Faltrohre dem vollständig entfalteten Quer schnitt der Faltrohre entspricht.