DE202014008902U1

DE202014008902U1 - Vorrichtung zum Transport und Auswurf von Nanosatelliten

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Publication number: DE202014008902U1
Application number: DE202014008902.7U
Authority: DE
Original assignee: ASTRO und FEINWERKTECHNIK ADLERSHOF GmbH; ASTRO- und FEINWERKTECHNIK ADLERSHOF GmbH
Current assignee: ASTRO und FEINWERKTECHNIK ADLERSHOF GmbH; ASTRO- und FEINWERKTECHNIK ADLERSHOF GmbH
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2015-01-20
Anticipated expiration: 2024-11-11

Abstract

Vorrichtung zum Transport und Auswurf von Mikrosatelliten, vorzugsweise Nanosatelliten, umfassend einen Behälter mit Deckel (1), Führungsschienen (3), mindestens einer Auswurffeder (13), einer Verriegelungsvorrichtung (12) für den Deckel (1) und Arretierungsdruckfedern (2) dadurch gekennzeichnet, dass genannte Vorrichtung zum Transport und Auswurf von Nanosatelliten über eine mit dem Verschlussmechanismus des Deckels gekoppelte Apparatur verfügt, die eine kraftschlüssige Arretierungsklemmung des Satelliten in allen translatorischen Freiheitsgraden bewirkt

Description

Missionen mit Hilfe von künstlichen Erdsatelliten sind heute ein wesentlicher Wirtschaftsfaktor geworden. Der wirtschaftliche Aufwand hängt hauptsächlich von Volumen und Masse der Satelliten ab. Der Trend geht dahin, die erforderlichen Nutzlasten auf möglichst kleinem Raum unterzubringen. Das wird technisch vor allem auch durch die fortschreitende Miniaturisierung elektronischer Baugruppen möglich, mit denen leistungsfähige Sensoren mit geringer Masse und Volumen aufgebaut werden. Vorzugsweise für Forschungszwecke werden zunehmend Kleinsatelliten mit einer Masse von maximal 500 kg eingesetzt. Besonders in Hoch- und Fachschulen werden verstärkt eigene Satellitenprojekte gestartet. Neben der praxisnahen Ausbildung der Studierenden steht dabei die Durchführung von technischen Forschungs- und Entwicklungsvorhaben im Vordergrund. Ziel dieser Entwicklung ist es, wissenschaftliche Nutzlasten auf kleinstem Raum unterzubringen. Um das mit vertretbarem wirtschaftlichen Aufwand durchführen zu können, werden hier extrem kleine Satelliten, Nanosatelliten (1–10 kg), Picosatelliten (0.1–1 kg) und Femtosatelliten (< 0.1 kg) entwickelt. Im Jahre 2003 wurden erstmalig von der California Polytechnic State University (Cal Poly) standardisierte Nanosatelliten erfolgreich auf eine erdnahe Umlaufbahn gebracht;
(http://en.wikipedia.org/wiki/CubeSat; (Kapitel "History"). Diese Nanosatelliten hatten die Abmessungen von 10 cm × 10 cm × 10 cm und ein Gewicht von maximal 1,33 kg. Auf Grund seiner Geometrie trägt so ein Nanosatellit die Bezeichnung „CubeSat”. Diese Satelliten wurden in einer speziellen Transport- und Startvorrichtung (Poly Picosatellite Orbital Deployer oder P-POD), die drei CubeSats aufnehmen kann, als Sekundärnutzlast bei Satellitenstarts mitgeführt (” US2005/0045771A1 ”). Als Erweiterung des CubeSat-Formats sind auch doppelte (2U, 20 cm × 10 cm × 10 cm, m < 2,6 kg) und dreifache (3U, 30 cm × 10 cm × 10 cm, m < 4 kg) CubeSats möglich, Quelle: „CubeSat Design Specification, CDS REV 13” und „http://www.cosmos-indirekt.de/cosmos_Wiki/index.php?title=CubeSat&oldid=118436529”.
Die hier genannte Transport- und Startvorrichtung für standardisierte Nanosatelliten funktioniert im Prinzip so, dass die Satelliten gegen eine vorgespannte Druckfeder in einen Aufnahmeschacht eingesetzt werden und nach Schließen des Deckels dieser Vorrichtung in diesem Zustand verbleiben. Dabei ist die Kraft der Druckfeder so bemessen, dass auch bei den starken Startbeschleunigungen der oder die Satelliten in der Aufnahmevorrichtung fest fixiert sind. Der Auswurf der (oder des) Satelliten erfolgt durch ein Signal von der Bodenstation an die Aufnahmevorrichtung, damit öffnet sich die Klappe und der CubeSat wird durch die Druckfeder beschleunigt und ausgeworfen.
Die Nachteile dieser Vorrichtung bestehen darin, dass:

• der Trägersatellit einen Auswurfimpuls erhält, der dessen Bahn erheblich verändern kann
• der auszuwerfende Satellit während der Austrittsphase mit dem Deckel in Berührung kommen kann und damit bezüglich der Auswurfrichtung beeinflusst werden kann oder auch einen Drall erhält, der später nur schwer zu kompensieren ist.

Ebenso zum Stand der Technik gehört eine im Jahre 2006 von Astro- und Feinwerktechnik Adlershof GmbH entwickelte Vorrichtung „Transport- und Auswurfeinheit für Picosatelliten” ( EP 2066 566 B1 ). Diese Entwicklung wurde in mehreren Exemplaren zum Einsatz gebracht, bei der Arretierung und Auswurf getrennt wirken, so dass der Auswurf des Satelliten unabhängig von der Arretierungskraft mit einer frei wählbaren Auswurfkraft erfolgt und damit die oben aufgeführten Nachteile beseitigt sind.
Der Nachteil des derzeitigen Standes besteht aber noch darin, dass die Haltekraft für Transport und Arretierung nur durch Druck in Z-Richtung (entsprechend Koordinatensystem in den 1 und 2) auf die Gehäusestreben des CubeSat wirkt, senkrecht dazu wirkende Kräfte (X- und Y-Richtung) werden nicht, oder nur geringfügig, aufgenommen. Das kann bei den erheblichen Schwingungsbelastungen, insbesondere beim Start des Trägersatelliten, zu Ausfällen von empfindlichen, elektronischen und mechanischen Komponenten führen. Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine Transport und Auswurfeinheit zu schaffen, die das zuvor genannte Problem weitgehend reduziert oder vermeidet.
Erfindungsgemäß wird die Lösung des Problems dadurch erreicht, dass nach dem Einsetzen des Satelliten, eine mit der Schwenkbewegung des Deckels gekoppelte Zugstange mit bewegt wird. Diese Zugstange betätigt wiederum Druckstücke, die den (oder die) Mikrosatelliten seitlich gegen die Führungsschienen pressen. Beim endgültigen Schließen des Deckels, wird über ein im Deckel eingebautes Kugel-Federsystem eine senkrecht dazu wirkende Kraft auf die Seitenstreben des Mikrosatelliten erzeugt, so dass der Mikrosatellit in den drei möglichen Freiheitsgraden der Translation arretiert ist.
Ausführungsbeispiel
Mit Hilfe der 1 und 2 wird ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Aufnahme und den definierten Ausstoß von Nanosatelliten beschrieben.
In 2 ist auf der Bodenplatte (11) eine Auswurffeder (13) verankert. Das obere Ende der Auswurffeder (13) ist mit dem Ausschubwagen (14) verbunden.
Bei geöffnetem Deckel (1), gemäß 1 wird der Nanosatellit auf den Ausschubwagen (14), gemäß 2, aufgesetzt und gegen die Kraft der Auswurffeder (13), in Richtung der Grundplatte (11) gedrückt.
Im Zustand des geöffneten Deckels (1) befindet sich das Wälzlager (7) gemäß 1, welches mit der Zugstange (4) verbunden ist, in einer Aussparung der Kurvenscheibe (5) und der Abstand der Zugstange (4) zur Bodenplatte (11) hat sein Minimum.
Das über die Lagerung (10) verbundene Druckstück (9) ist in diesem Zustand von der Seitenkante des Nanosatelliten (nicht dargestellt) weggeschwenkt.
Zum Schließen des Deckels (1) wird nun mit einem speziellen Werkzeug (nicht dargestellt) die Zugstange (4) mit dem Wälzlager (7) angehoben. Dabei wird das Druckstück (9) diagonal an die Satellitenkante angedrückt und die Kurvenscheibe (5), die fest mit dem Deckel (1) verbunden ist, wird freigegeben.
Beim Schließen des Deckels (1) rollt nun das Wälzlager (7) auf der Kurvenscheibe (5) so, dass die Zugstange (4) gespannt bleibt und das Spannwerkzeug wieder entfernt werden kann.
Im geschlossenen Zustand wird der eingesetzte Nanosatellit von den Arretierungsdruckfedern (2) im Deckel (1) in Richtung der Grundplatte (11) fixiert. Zusätzlich wird der Nanosatellit in X- und Y-Richtung des Koordinatensystems, gemäß der 1 und 2, durch das gespannte Druckstück (9) gegen die Führungsschienen (3) gedrückt und somit auch in dieser Ebene fixiert.
Das Druckstück (9) ist mit einer Druckfeder (6) ausgestattet, die mit Hilfe einer Mutter auf der Zugstange (4) zuvor eingestellt wurden. Damit wird sichergestellt, dass unabhängig von Toleranzen eine definierte Druckkraft an dem Druckstück (9) wirkt.
Die Fixierung des Nanosatelliten in allen drei Raumrichtungen bietet entscheidende Vorteile beim Ertragen von Vibrationsbelastungen, wie sie beim Start der Trägerrakete auftreten. Einerseits werden Schockbelastungen vermieden, die durch Anschlagen gegen die Führungsschienen entstehen können und zum Anderen werden Relativbewegungen verhindert, die Oberflächenbeschädigungen und Abrieb erzeugen würden.
Zum Aussetzen des Nanosatelliten in seine vorgesehene Umlaufbahn wird der Deckel-Entriegelungsmechanismus (12), Einzelheiten hier nicht dargestellt, ausgelöst. Das hat zur Folge, dass der Deckel (1) durch die Deckel-Öffnungsfedern, koachsial zur Drehachse des Deckels (1) (nicht dargestellt) und den Impuls der Arretierungsdruckfedern (2) aufschwenkt. Dabei bleibt der Nanosatellit durch die immer noch gespannten Druckstücke (9) solange fixiert, bis das auf der Kurvenscheibe (5) abrollende Wälzlager (7) die Aussparung erreicht.
Ab einem Öffnungswinkel des Deckels (1) von 90° wird das Wälzlager (7) durch die Spannung in der Zugstange (4) in die Aussparung der Kurvenscheibe (5) gezogen und die Druckstücke (9) schwenken zurück. Damit wird der Nanosatellit freigegeben und über den Ausschubwagen (14) und die Kraft der Auswurffeder (13) mit einer definierten Geschwindigkeit ausgestoßen.
Der Öffnungswinkel des Deckels (1) ist durch einen Anschlag begrenzt. Beim Erreichen des maximalen Öffnungswinkels befindet sich das Wälzlager (7) an dem tiefsten Punkt der Aussparung in der Kurvenscheibe (5) und verhindert somit das Zurückschwingen des Deckels (1).
Das Fixieren des Nanosatelliten, bis der Deckel den Auswurfweg vollständig freigibt, hat entscheidende Vorteile für dessen sicheren Auswurf. Dadurch wird sichergestellt, dass es zu keiner Kollision mit dem Deckel kommen kann und auch ein Verklemmen wird ausgeschlossen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2005/0045771 A1 [0001]
EP 2066566 B1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://en.wikipedia.org/wiki/CubeSat; (Kapitel ”History”) [0001]
CubeSat Design Specification, CDS REV 13 [0001]
http://www.cosmos-indirekt.de/cosmos_Wiki/index.php?title=CubeSat&oldid=118436529 [0001]

Claims

Vorrichtung zum Transport und Auswurf von Mikrosatelliten, vorzugsweise Nanosatelliten, umfassend einen Behälter mit Deckel (1), Führungsschienen (3), mindestens einer Auswurffeder (13), einer Verriegelungsvorrichtung (12) für den Deckel (1) und Arretierungsdruckfedern (2) dadurch gekennzeichnet, dass genannte Vorrichtung zum Transport und Auswurf von Nanosatelliten über eine mit dem Verschlussmechanismus des Deckels gekoppelte Apparatur verfügt, die eine kraftschlüssige Arretierungsklemmung des Satelliten in allen translatorischen Freiheitsgraden bewirkt
Vorrichtung zum Transport und Auswurf von Mikrosatelliten, vorzugsweise Nanosatelliten, nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Arretierungsklemmung in den Richtungen X und Y, gemäß der 1 und 2 , über eine mit dem Deckel (1) gekoppelten Zugstange (4) mit Hilfe von einem oder mehreren Druckstücken (9) erfolgt, die den zu arretierenden Satelliten an die Führungsschienen (3) drückt.
Vorrichtung zum Transport und Auswurf von Mikrosatelliten, vorzugsweise Nanosatelliten nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Andruckkraft des Druckstückes (9) über eine Druckfeder mit einstellbarer Anduckkraft erfolgt.
Vorrichtung zum Transport und Auswurf von Mikrosatelliten, vorzugsweise Nanosatelliten, nach den Ansprüchen 1 und dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Deckel (1) verbundene Kurvenscheibe (5) eine Aussparung hat, in die das mit der Zugstange (4) verbundene Wälzlager (7) im geöffneten Zustand einrastet und damit ein Zurückschlagen des geöffneten Deckels (1) verhindert.