DE2402732C3 - Vorrichtung zum Anbau an einen Troposphärenballon mit einem eine innere Kammer umgebenden Strahlenschutz - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Anbau an einen Troposphärenballon mit einer inneren Kammer, deren Temperatur im wesentlichen konstant gehalten werden soll, und mit einem die innere Kammer in Abstand umgebenden, zu ihr koaxialen zylindrischen Strahlenschutz, der an seinen beiden Enden offen ist.

Eine derartige Vorrichtung ist in der deutschen Gebrauchsmusterschrift 72 06 514 beschrieben. Dort dient der Strahlenschutz dazu, eine direkte Bestrahlung eines in der inneren Kammer angeordneten Temperaturmessers durch die Sonne auszuschließen. Eine völlige Temperaturstabilisierung dieser Kammer ist aber nicht erwünscht, da der in ihr angeordnete Temperaturmesser ja gerade Temperaturunterschiede der Luft ermitteln

Dagegen hat sich die Erfindung zur Aufgabe gestellt, mit einfachen Mitteln in einer von einem Troposphärenballon getragenen Sonde eine temperaturstabilisierte Kammer zu schaffen.

Derartige, keinen nennenswerten Temperaturändeningen ausgesetzte Kammern sind z. B. zur Aufnahme von Schwingquarzen erforderlich, die zur Positionsbestimmung des Troposphärenballons durch eine Bodenstation oder durch einen Satelliten verwendet werden. Temperaturänderungem führen in diesem Fall zu Änderungen der Schwingungsfrequenzen des Quarzes und damit zu Fehlern bei der Positionsbestimmung des Ballons. Üblicherweise kann die Temperatur und damit die Schwingungsfrequenz eines Schwingquarzes durch eine Thermostatisierungseinrichtung mit einer eigenen Energiequelle konstant gehalten werden. Derartige Einrichtungen sind jedoch komplex, teuer, schwer und stellen eine Gefahr für den Luftverkehr dar. Außerdem ergeben sich Schwierigkeiten, da man in der Regel eine Temperatur einzustellen versucht, die von der Umgebungstemperatur stark abweicht.

Zur Lösung der oben angegebenen Aufgabe wird durch die Erfindung eine Vorrichtung der eingangs beschi iebonen Art geschaffen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die innere Kammer in ein Isoliergefäß eingebettet ist, das im wesentlichen geschlossen ist, daß die innere Kammer und der sie umgebende zylindrische Strahlenschutz innerhalb eines zweiten koaxialen zylindrischen Strahlenschutzes mit offenen Enden frei angeordnet sind und daß das Isoliergefäß über dünne, schlecht wärmeleitende Aufhängungen vom Strahlenschutz getragen ist und der letztere seinerseits über weitere dünne, schlecht Wärme leitende Aufhängungen an dem zweiten, äußeren Strahlenschutz angebracht ist.

Bei einer derartigen Anordnung wird eine sehr gute Konstanz der Temperatur in der inneren Kammer erreicht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß das Isoliergefäß einen sehr guten zusätzlichen Strahlungsschutz darstellt und wegen seiner schlechten Wärmeleitung zwischen seiner Außen- und Innenseite etwa noch vorhandene Restschwankungen der Temperatur der Umgebungsluft ausmittelt (die Temperatur der Umgebungsluft ist in einer Höhe von 3 km und darüber praktisch konstan»; es gibt insbesondere keine Temperaturänderung zwischen Tag und Nacht). Die gute Temperaturkonstanz der inneren Kammer ist ferner darauf zurückzuführen, daß zwei konzentrische Strahlenschutzzyiinder vorgesehen sind, die zusammen mit dem Isoliergefäß zwei koaxiale, von Umgebungsluft durchströmte Kamine bilden. Damit wird neben der weiter verminderten Wärmeeinstrahlung eine besonders gute Führung der Umgebungsluft erreicht. Schließlich trägt die Verbindung der beiden Strahlenschutzzylinder untereinander sowie mit dem Isoliergefäß über dünne, schlecht Wärme leitende Aufhängungen zur Temperaturkonstanz in der inneren Kammer bei.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Dabei wird bei der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 3 eine sehr kleine Wärmeleitung zwischen den Elementen der Sonde erhalten, die Kaminwirkung wird durch die Aufhängungen nicht beeinträchtigt, das Material für die Aufhängungen ist sehr preiswert, die inneren Elemente sind elastisch aufgehängt und die Sonde hat ein eerin-

ges Gewicht

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 können Temperaturschwankungen in der inneren Kammer, die durch Wärmestrahlung bedingt sind, besonders klein gehalten werden, wobei zu unterstreichen ist, daß der ihr benachbarte Strahlenschutzzylinder durch Konvektionskühlung schon im wesentlichen die Temperatur der Umgebungsluft aufweist.

Im folgenden wird die Erfindung an Harn! eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die Zeichnun? näher erläutert. In dieser zeigi

F i g. 1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Anbau an einen Troposphärenballon,

F i g. 2 einen transversalen Schnitt durch die in F i g. 1 dargestellte Vorrichtung längs der Linie H-Il,

Fi g. 3 die Temperaturschwankungen in der Kammer einer herkömmlichen und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Der in F i g. 1 schematisch dargestellte Quarzoszillator 1 ist im Innern eines Isoliergetäßes 2 eingeschlossen. Dieses weist im Innern ein winziges Gehäuse 3 aus Kupfer-Beryllium auf. das zum Ausgleichen der Innentemperaturen im Isoliergefäß dient, da die Vorrichtung notwendigerweise eine thermische Asymmetrie aufweist, die dadurch gegeben ist, daß eine ihrer Seiten der Sonne und die entgegengesetzte Seite dem Schatten ausgesetzt ist. Das Isoliergefäß 2 weist eine Schicht 4 isolierenden Materials auf (z. B. auf eine Dicke von 1 cm aufgeschäumtes Polystyrol) oder ist ein Vakuumisoliergefäß (Dewar), was für eine gute Isolation und folglieh für eine Vergrößerung des Wärmeleitwiderstands sorgt. Um dieses Isoliergefäß herum ist als Strahlungsschutz eine spiegelglänzende dünne Aluminiumverkleidung 5 aufgebracht.

Das Isoliergefäß 2 wird z. B. von wärmeisolierenden Nylonfäden 10 getragen, die mit den Enden an einem ersten zylindrischen Kamin 6 befestigt sind, der innen und außen mit spiegelglänzendem Aluminium verkleidet ist und eine »Gondel« bildet. Diese Gondel ist ihrerseits in einem zweiten Kamin 7 angeordnet, der in gleicher Weise innen mit spiegelglänzendem Aluminium verkleidet ist, dessen Verbindung mit der Gondel durch Polyamidfäden U hergestellt ist und der einen »Sonnenschirm« darstellt.

Gemäß einer Ausführungsform hat der zweite Kamin 7 z. B. eine Länge von 100 cm, der erste Kamin 6 eine solche von 70 cm und das Isoliergefäß 6 eine solche von 10 cm. Der Durchmesser des zweiten Kamins 7 beträgt dabei 12 cm, derjenige des ersten Kamins 6 7 cm und derjenige des Isoliergefäßes 2 5 cm. In F i g. 1 ist zu sehen, daß der zweite Kamin 7 beiderseits über den ersten Kamin 6 übersteht.

Die Gondel nimmt ferner die übrigen elektronischen Schaltungen 8 auf (die dargestellten Meß- und Nachrichtenübertragungsschaltungen). Anschlüsse 9 verlaufen von unten zu einer zweiten nicht gezeigten Vorrichtung, die die Versorgungsquellen (Fotoelemente) {ragt.

Die Außenfläche des Sonnenschirms ist mit einem weißen Anstrich bedeckt, der sehr wenig Sonnenstrahlung aufnimmt und stark Infrarotstrahlung abgibt, um die Tageserwärmung zu begrenzen. Die Kühlung wird überdies sichergestellt durch Konvektion im Innern der an beiden Enden offenen Gondel. In gleicher Weise läßt der Zwischenraum zwischen der Gondel und dem Sonnenschirm ebenfalls eine Luftkonvektion zu, die die dauernde Kühlung der Gondel und des Sonnenschirms sicherstellt. Die Außenflächen der Gondel und die Innenflächen des Sonnenschirms bestehen aus poliertem Aluminium, um den Strahlungsaustausch zwischen dem Sonnenschirm und der Gondel zu begrenzen. Der Sonnenschirm ist tagsüber merklich wärmer als die Umgebungstemperatur.

Die Rolle des Sonnenschirms besteht darin, die Sonnenstrahlung und die Albedo abzuhalten. Er absorbiert dank seiner weißen Außenfläche ein Minimum an Strahlung und überträgt davon dank seiner Innenfläche aus poliertem Aluminium ein Minimum auf die Gondel.

Die Oberflächen aus poliertem Aluminium bestehen beispielsweise aus unter Vakuum aluminisiertem Polyäthylen. Die Dicke der Auflage muß ausreichend sein, damit deren Transparenz so gut wie Null ist. Es ist in jedem Fall wichtig, eine gegen Stoß leichte und zerbrechliche Konstruktion zu erzielen, damit in Fall Stoßes gegen ein Flugzeug kein Schaden entsteht.

Man erhält somit für eine Höhe von 14 km etwa die in F i g. 3 gezeigten Ergebnisse. Die maximale Veränderung der Temperatur über der Zeit (z. B. bei Tag)

liegt in der Größenordnung von -rr⁼ 1°/15 min, und

man erhält einen Temperaturunterschied Tag/Nacht in der Größenordnung von 8°, und dies mit einem geringen Temperaturgradienten zum Kern der Gondel. Die Vorrichtung kann in beliebiger Höhe bis zu 20 km gut verwendet werden.

Es wurde ein Isoliergefäß dargestellt, das in Längsrichtung genau in der Mitte der Gondel angeordnet ist. In der Praxis kann es auch vorteilhaft sein, es nach unten zu verschieben.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Anbau an einen Troposphärenballon mit einer inneren Kammer, deren Temperatur im wesentlichen konstant gehalten werden soll, und mit einem die innere Kammer in Abstand umgebenden zu ihr koaxialen zylindrischen Strahlenschutz, der an seinen beiden Enden offen ist, d a durch gekennzeichnet, daß die innere Kammer (3) in ein Isoliergefäß (2) eingebettet ist, das im wesentlichen geschlossen ist; daß die innere Kammer (3) und der sie umgebende zylindrische Strahlenschutz (6) innerhalb eines zweiten koaxialen zylindrischen Strahlenschutzes (7) mit offenen Enden frei angeordnet sind und daß das Isoliergefäß

(2) über dünne schlecht wärmeleitende Aufhängungen (10) vom Strahlenschutz (6) getragen ist und der letztere seinerseits über weitere dünne, schlecht wärmeleitende Aufhängungen (11) an dem zweiten, äußeren Strahlenschutz (7) angebracht ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Isoliergefäß ein Dewar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schlecht wärmeleitenden Aufhängungen (10, 11) durch Fäden aus schlecht wärmeleitendem Material gebildet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Strahlenschutz (6) ganz und der äußere Strahlenschutz (7) auf seiner Innenseite eine Verkleidung aufweist, die ein geringes Emissionsvermögen im IR aufweist, wie z. B. spiegelglanzpoliertes Aluminium, während die Außenseite des äußeren Strahlenschutzes (7) mit einem die Sonnenstrahlung und die Albedo wenig absorbierenden Material bedeckt ist, z. B. mit einem weißen Anstrich.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kammer

(3) in etwa in der Mitte des inneren Strahlenschutzes (6) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Kammer (3) in der unteren Hälfte des inneren Strahlenschutzes (6) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die innere Kammer (3) zusätzlich eine eine Energiequelle aufweisende Temperaturregeleinrichtung vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß alle Elemente aus leichtem, keine Gefährdung des Flugverkehrs darstellendem Material gefertigt sind.