DE19848747C1

DE19848747C1 - Solargenerator für Satelliten

Info

Publication number: DE19848747C1
Application number: DE19848747A
Authority: DE
Inventors: Horst Bansemir; Markus Bauer; Ottmar Haider
Original assignee: Eurocopter Deutschland GmbH
Current assignee: Airbus Helicopters Deutschland GmbH
Priority date: 1998-10-22
Filing date: 1998-10-22
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2018-10-23
Also published as: ITMI992068A1; FR2784962B1; ITMI992068A0; IT1313325B1; FR2784962A1

Abstract

In einem Solargenerator für Satelliten, der eine Tragestruktur (1) in Sandwichbauweise mit einer unteren und einer oberen Deckhaut (3a, 3b) und einem dazwischenliegenden Wabenkern (2) aufweist, sind Resonatoren zur Reduzierung der durch Schalldruck entstehenden Belastungen integriert bzw. an die Tragestruktur (1) gekoppelt. Dabei bilden die Hohlräume (28) im Wabenkern (2) zusammen mit einer perforierten Folie (4) Helmholz-Resonatoren, um Belastungen aus Schalldruck beim Raketenstart zu reduzieren. Auch können als Resonatoren Federelemente dienen, die z. B. zungenartig ausgebildet sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Solargenerator für Satelliten mit einer Vielzahl von Solarzellen und einer Tragestruktur, die einen zwischen einer oberen und einer unteren Deckhaut liegenden Wabenkern aufweist.

Die Energieversorgung von Satelliten wird mit Solarzellen gewährleistet, die auf hochsteifen Kohlefaserverbund-Sandwichstrukturen befestigt sind. Derartige Strukturen sind vor allem während des Startvorgangs erheblichen Belastungen ausgesetzt, die z. B. durch Vibrationen verursacht werden. Dabei treten Beschleunigungen bis zu 30 g auf. Der Frequenzbereich der Vibrationen erstreckt sich zumeist zwischen 30 Hz und 100 Hz.

In der US 4,394,529 ist ein Solargenerator beschrieben, bei dem eine Vielzahl von Solarzellen auf einer Sandwichstruktur angeordnet sind. Die Sandwichstruktur besteht aus einem Honigwabenkern, der aus Aluminium gefertigt ist und zwischen Lagen bzw. Schichten aus Kevlar angeordnet ist. Wegen der Vibrationen ist zur Erhöhung der Festigkeit an der Rückseite der Tragestruktur eine Anordnung von Stangen vorgesehen, die Versteifungselemente bilden.

Zu den oben angesprochenen Vibrationen kommt als zusätzliche Belastung noch der Schalldruck hinzu, der aufgrund des Lärms der Triebwerke der Trägerrakete beim Start unter der aerodynamischen Verkleidung der Raketenspitze entsteht. Die Hauptbeanspruchung aus dem Schalldruck liegt hauptsächlich in einem Frequenzbereich von ca. 150 Hz bis ca. 500 Hz. Dabei sind Leichtbaustrukturen bzw. Sandwichbauteile mit dünnen Deckhäuten besonders gefährdet. Die Beanspruchungen aus dem Schalldruck steigen mit der Panelgröße stark an, weshalb große Solargeneratoren nur mit erhöhtem Gewicht gebaut werden können. Weiterhin erzeugt auch der Schall bestimmte Verformungen der Struktur, die zu Schäden an den empfindlichen Solarzellen führen können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Solargenerator für Raumfahrzeuge bzw. Satelliten zu schaffen, bei dem die Beanspruchung durch Schalldruck bzw. eine Gefährdung der Bauteile durch Schalldruck reduziert ist, wobei das Gewicht dennoch gering gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Solargenerator gemäß Patentanspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Details der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Der erfindungsgemäße Solargenerator hat eine Vielzahl von Solarzellen und eine Tragestruktur, die einen zwischen einer oberen und einer unteren Deckhaut liegenden Wabenkern aufweist, sowie Resonatoren, die in die Tragestruktur integriert und/oder daran gekoppelt sind. Durch die in die Struktur integrierten bzw. daran gekoppelten Resonatoren wird die Schallbelastung und damit die Gefährdung der Bauteile reduziert. Die Beanspruchung der Struktur wird verringert. Insbesondere können die Beanspruchungen durch Schall im Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 1000 Hz durch die Resonatoren sehr gut gemindert werden.

Vorzugsweise sind die Resonatoren durch eine bevorzugt auf der oberen und/oder unteren Deckhaut aufgebrachte Folie und Hohlräume im Wabenkern gebildet. Durch das Zusammenwirken von Hohlräumen und Folie sind in der Struktur Helmholz-Resonatoren ausgebildet, die die Schallbelastung erheblich reduzieren.

Die Folie hat vorteilhafterweise Löcher und kann z. B. perforiert, mikroperforiert oder netzartig sein. Dadurch ist der Resonator besonders wirksam und eine einfache und kostengünstige Herstellung ist möglich. Durch statistisch verteilte Lochgrößen in der Folie wird eine besonders große Frequenzbandbreite der Helmholz-Resonatoren ermöglicht, so daß die Schallbelastung in sehr unterschiedliche Frequenzen reduziert wird.

Vorteilhafterweise ist die Folie in einem im Verhältnis zu den anderen Bereichen sehr dünnwandigen Bereich der Tragestruktur angeordnet, der besonders schallgefährdet ist. In den dünnwandigen Bereichen ist die Folie bzw. sind die Folien besonders effektiv. Die Größe der Löcher in der Folie und die Größe der Hohlräume des Wabenkerns bzw. seine Geometrie können so aufeinander abgestimmt werden, daß die Resonatoren einen Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 1000 Hz, bevorzugt zwischen 150 Hz und 500 Hz, haben.

Die Resonatoren können auch einzelne Federelemente sein, z. B. als Federn ausgebildete Zungen, die bevorzugt auf mindestens einer der Deckhäute angeordnet sind. Derartige diskrete Resonatoren können auch zusätzlich zu den oben genannten Helmholz- Resonatoren angeordnet werden. Die Bauart der diskreten Resonatoren kann unterschiedlich sein, und sie können in Abhängigkeit davon geringe oder auch breite Frequenz-Bandbreiten besitzen. Diese diskreten Resonatoren werden bevorzugt in einem verstärkten Bereich der Rückseite der Tragestruktur angeordnet, da sie dort besonders effektiv sind.

Die Deckhaut ist z. B. aus einem Faserverbundnetz gebildet, das vorteilhafterweise eine Maschengröße hat, die kleiner ist als der Innenquerschnitt der Hohlräume im Wabenkern.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, wobei in den Zeichnungen in

Fig. 1 eine teilweise aufgebrochene Ansicht von unten einer Tragestruktur des erfindungsgemäßen Solargenerators dargestellt ist,

Fig. 2 eine Ansicht des Solargenerators von oben zeigt, der in die Tragestruktur integrierte Resonatoren enthält;

Fig. 3 eine weitere Tragestruktur in Sandwichbauweise mit Krafteinleitungselementen zeigt;

Fig. 4 den beim Raketenstart auftretenden Schalldruck in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt;

Fig. 5 das Verhalten der Tragestruktur infolge der Schallbelastung in Abhängigkeit von der auftretenden Frequenz zeigt; und

Fig. 6 einen teilweisen Schnitt durch einen Solargenerator mit Resonatoren gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung zeigt.

In Fig. 1 ist eine Tragestruktur 1 des erfindungsgemäßen Solargenerators in einer teilweise aufgebrochenen Ansicht von unten gezeigt. Ein Wabenkern 2 aus Aluminium ist zwischen einer unteren Deckhaut 3a und einer oberen Deckhaut 3b angeordnet. Die Bauteile sind durch einen schematisch dargestellten Kleber 11 miteinander verklebt und bilden eine Sandwichstruktur. Auf der unteren Deckhaut 3a befindet sich eine flexible Deckfolie 4, die in der bevorzugten Ausführungsform perforiert bzw. mikroperforiert ist. Die Perforation ist in Fig. 1 nicht dargestellt. Die Zellen oder Waben 21 des Waben kerns 2 bilden aufrecht stehende Hohlkörper mit Hohlräumen 28, die an die Deckhäute 3a, 3b angrenzen. Durch die Folie 4 werden im Verbund mit den Hohlräumen 28 im Wabenkern 2 eine Vielzahl von Einzelresonatoren gebildet, die nach dem Helmholz-Prinzip wirken. Dadurch ergibt sich eine hochgradige Schallabsorbtion in der Tragestruktur 1. Auf der Oberseite der Tragestruktur 1, die in Fig. 1 nicht erkennbar ist, sind Solarzellen angeordnet, um den erfindungsgemäßen Solargenerator zu bilden.

Neben Aluminium eignen sich auch andere Materialien, wie z. B. Polyamid-Papier, Aramid- Fasern, GFK oder CFK als Material für den Zell- bzw. Wabenkern 2. Die Deckhäute 3a, 3b bestehen insbesondere aus Kohlenstoff-Fasern mit Epoxidharz und haben eine Netzstruktur. In der bevorzugten Ausführungsform ist die Folie 4 eine perforierte Kapton- Folie. Allgemein eignen sich besonders gut Materialien oder Gewebe, die Löcher bzw. Durchgänge aufweisen, durch die die Luft in den Hohlräumen des Wabenkerns 1 schwingen kann.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Solargenerators schräg von oben. Solarzellen 5 sind auf der Oberseite der Tragestruktur 1 angeordnet. Die gezeigte Kohlefaserverbund- Sandwichstruktur mit dem Wabenkern 2, der unteren Deckhaut 3a und der oberen Deckhaut 3b bewirkt eine hohe Festigkeit bzw. Steifigkeit bei leichter Bauweise. Neben den bevorzugt verwendeten Waben 21 mit sechseckigem Querschnitt, die hier als Honigwaben bezeichnet sind, können auch andere Geometrien der Waben 21 verwendet werden. Die Solarzellen 5 sind auf einem elektrisch isolierendem Film angeordnet, und über diesen mit der Tragestruktur 1 bzw. der oberen Deckhaut 3b verbunden.

Fig. 3 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der Klötze 7 aus Kohlefaser zur Lasteinleitung im Wabenkern 2 eingeklebt sind. Die Deckhäute 3a, 3b sind an diesen Stellen mit zusätzlichen Laminatstücken bzw. Dopplern 8 verstärkt. Zur Verbindung der einzelnen Bauteile untereinander sind Klebeschichten 9 vorgesehen. Die Folie 4 ist an den Bereichen des Wabenkerns 2 mit Löchern versehen bzw. perforiert und bildet zusammen mit den Hohlräumen des Wabenkerns 2 und mit der Deckhaut 3a eine Vielzahl von Helmholz-Resonatoren.

Die obere Deckhaut 3b, die die Solarzellen 8 trägt, besteht hier aus einer durchgehend geschlossenen Faserverbundschicht, während die untere Deckhaut 3a netzartig ausgebildet bzw. mit Öffnungen versehen ist.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm, in dem der Schalldruck in Abhängigkeit von der Frequenz dargestellt ist. Hier ist erkennbar, daß der Schalldruck, z. B. beim Start der Trägerrakete, ein Maximum in einem Frequenzbereich von ca. 150 Hz bis ca. 500 Hz aufweist. In diesem Bereich sind die Beanspruchungen der Tragestruktur aus dem Schalldruck am größten.

Das Verhalten der Struktur infolge der Schallbelastung ist in Fig. 5 gezeigt. Auch hier ist das Maximum im Bereich zwischen 102 und 103 Hz erkennbar. In diesem Frequenzbereich liegen die stärksten Schwingungen der Struktur infolge der Schallbelastung.

Um die Frequenzbandbreiten der Resonatoren noch zu vergrössern, wird die Folie 4 in einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführungsform mit Löchern unterschiedlicher Größe versehen. Insbesondere vorgefertigte Netzfolien mit statistisch verteilten Lochgrößen ermöglichen eine größere Frequenzbandbreite bei einfacher und kostengünstiger Herstellung. Zur Ausbildung von Resonatoren, die in bestimmten Frequenzbereichen besonders effektiv sind, wird die Wabengeometrie bzw. die Hohlraumgröße innerhalb des Wabenkerns 2 auf die Lochgröße innerhalb der Folie 4 abgestimmt.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Solargenerators. Dabei sind als Resonatoren als Federn ausgebildete Zungen 10 an der unteren Deck haut 3a bzw. auf der den Solarzellen 5 gegenüberliegenden Seite der Tragestruktur 1 angebracht. Das Schwingverhalten der Resonatoren wird durch die Federn und die Geometrie der Zungen 10 bestimmt. Daher können entsprechend der jeweiligen Anforderung Resonatoren für unterschiedliche Frequenzen ausgebildet werden. Auch hier bilden die als Honigwaben ausgestalteten Waben 21 Hohlräume 28, die senkrecht zu den Deckhäuten 3a, 3b ausgerichtet sind. Diese diskreten Resonatoren sind besonders bevorzugt im verstärkten Bereich der Tragestruktur 1 an der Rückseite des Solargenerators angebracht. Sie können sowohl zusätzlich zu den oben beschriebenen integrierten Helmholz-Resonatoren, als auch unabhängig davon an die Tragestruktur 1 angekoppelt sein.

Die erhebliche Schallbelastung durch den Lärm von Triebwerken wird durch die erfindungsgemäße Integration von Resonatoren in die Tragestruktur 1 des Solargenerators bzw. durch ihre Kopplung an die Tragestruktur 1 wirksam reduziert.

Durch das Aufbringen der besonders ausgestalteten Folie 4 wird erreicht, daß der Wabenkern 2 eine Vielzahl von Helmholz-Resonatoren bildet. Bei dieser besonderen Ausgestaltung der Resonatoren werden insbesondere keine zusätzlichen Bauteile benötigt, die das Gewicht des Solargenerators wesentlich vergrößern würden. Die Folien 4 sind dabei in den dünnwandigen Bereichen der Tragestruktur, die schallgefährdet sind, besonders effektiv.

Durch die vorliegende Erfindung werden die Beanspruchungen aus Schall besonders in dem Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 1000 Hz effektiv gemindert.

Claims

1. Solargenerator für Satelliten, mit einer Vielzahl von Solarzellen (5) und einer Tragestruktur (1), die einen zwischen einer unteren und einer oberen Deckhaut (3a, 3b) liegenden Wabenkern (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß Resonatoren in die Tragestruktur (1) integriert und/oder daran gekoppelt sind.

2. Solargenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren Helmholz-Resonatoren sind, die durch eine Folie (4) und Hohlräume (28) im Wabenkern gebildet sind.

3. Solargeneratoren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (4) Löcher aufweist und/oder perforiert, mikroperforiert oder netzartig ist.

4. Solargeneratoren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (4) statistisch verteilte Lochgrößen hat.

5. Solargeneratoren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie (4) in einem Bereich der Tragestruktur (1) angeordnet ist, der im Verhältnis zu den anderen Bereichen eine relativ dünne Wandstärke hat.

6. Solargeneratoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren einen Frequenzbereich zwischen 100 Hz und 1000 Hz, bevorzugt zwischen 150 Hz und 500 Hz, haben.

7. Solargeneratoren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Löcher in der Folie (4) und die Größe der Hohlräume (28) auf den Frequenzbereich des Schalldrucks abgestimmt sind.

8. Solargeneratoren nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren einzelne Federelemente (10) sind, die auf der oberen und/oder unteren Deckhaut angeordnet sind.

9. Solargeneratoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren als Federn ausgebildete Zungen (10) sind.

10. Solargeneratoren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonatoren in einem verstärkten Bereich der Rückseite der Tragestruktur (1) angeordnet sind.

11. Solargeneratoren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die untere und/oder obere Deckhaut (3a, 3b) aus einem Faserverbundnetz gebildet ist, das eine Maschengröße hat, die kleiner ist als der Innenquerschnitt der Hohlräume (28) im Wabenkern (2).