DE3429417A1

DE3429417A1 - Reflektorkonstruktion fuer elektromagnetische strahlung

Info

Publication number: DE3429417A1
Application number: DE19843429417
Authority: DE
Inventors: Raj Natarajan Robbinsville N.J. Gounder; Brian David Boston Mass. Jacobs; Chi-Fan Richardson Tex. Shu
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1983-08-10
Filing date: 1984-08-09
Publication date: 1985-02-28
Also published as: GB2144921A; FR2550663B1; US4635071A; FR2550663A1; JPS6065603A; GB8420029D0; CA1226669A; JPH0342803B2; GB2144921B

Description

EGA 78 889 Ks/Ei

U.S. Serial No. 521,913

Filed: August 10, 1983

ECA Corporation New York, N.Y., V.St.v.A.

Reflektorkonstruktion für elektromagnetische Strahlung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Reflektieren elektromagnetischer Wellen und betrifft insbesondere eine Reflektorkonstruktion für eine Antenne.

Antennenreflektoren werden an Erdsatelliten oder anderen Raumfahrzeugen eingesetzt, um den Empfang der von der Erde gesendeten Signale und die Abstrahlung zur Erde zu verbessern. Es besteht die Gefahr, daß die Reflektoren solcher Antennen durch Temperaturdifferenzen innerhalb des Reflektors (auch "Temperaturverteilung" genannt) und andere weltraumbedingte Faktoren verformt werden. Bei vielen Satelliten werden die Reflektoren durch relativ kurze Haltevorrichtungen nahe und fest am Satelliten gehalten. Dank der Steifigkeit solcher kurzen Haltevorrichtungen kann erreicht werden, daß die Wärmeverformungen der Reflektoren innerhalb tolerierbarer Grenzen bleiben. In den erwähnten Fällen ist die Größe von Reflektoren,die in fester Position angeordnet sind, gewöhnlich begrenzt.

Das gleiche Problem der Wärm ever formling tritt auch bei einem großen Reflektor auf, z.B. bei einem ausklappbaren Reflektor, der so groß ist, daß er während des Abschusses in einer Stauposition gehalten wird, um nach Erreichen der Umlaufbahn in eine Betriebsposition ausgefahren zu werden, bei welcher er eine beträchtliche Entfernung vom Satellitenkörper hat. Bei einem großen Reflektor ist das Problem der Wärmeverformung größer, weil z.B. die Haltevorrichtung für den Reflektor relativ lang ist und eine begrenzte Anzahl von Haltegliedern aufweist.

Es wurde vorgeschlagen, das Problem der Wärmeausdehnung bei einem großen Reflektor dadurch zu lösen, daß man die Auswirkung der Wärmeverformung vermindert. So kann man z.B. den Reflektor, nachdem er durch seine Wärmeverformung die korrekte Ausrichtung verloren hat, mit Hilfe aktiver Einrichtungen am Satelliten neu ausrichten. Eine solche Nachjustierung des Reflektors kompensiert nur diejenigen !Formänderungen, die zur Fehlausrichtung bezüglich der Zielachse führen. Die erwähnten aktiven Einrichtungen vergrößern das Gewicht und den Leistungsverbrauch des Satelliten und erhöhen die Anzahl möglicher Störungsursachen. Insbesondere aber sind solche Einrichtungen nicht in der Lage, Verformungen innerhalb der reflektierenden Fläche zu kompensieren.

Bei den zur Zeit gebräuchlichen Systemen zur Kommunikation zwischen einem Satelliten und einer Erdestation werden am Satelliten Reflektoren relativ kleinen Durchmessers und an der Erdestation entsprechend große Reflektoren verwendet. Bei dem neuerdings konzipierten sogenannten Direktsatellitenfunk wird oedoch eine große Reflektorkonstruktion am Satelliten benötigt, um mehr Leistung vom Satelliten abzustrahlen, so daß stärkere Signale an viele, mit kleinen Antennen versehene Erdestationen gesendet werden können, Bei diesen größeren Antennenreflektoren für Direktfunksatelliten treten Wärmeverformungs- und Gewichtsprobleme

auf, die sich nicht befriedigend lösen lassen, wenn man die Reflektoren in der zur Zeit bekannten Weise konstruiert*

Eine bekannte Konstruktion für relativ kleine Satellitenreflektoren bedient sich einer besonderen Verbundstruktur, die typischerweise einen aus Zellen aufgebauten Kern enthält, z.B. ein Wabenmaterial aus Aluminium oder einem nichtmetallischen Stoff. Dieser Kern ist mit fest haftenden Überzügen aus Bespannstoffen versehen, die aus Materialien wie z.B. Kevlar/Epoxy oder Graphit/Epoxy bestehen (Kevlar ist eingetragenes Warenzeichen der DuPont Corporation für eine organische Polyaramid-Faser).

Ein Aufsatz von R.N. Gounder mit dem Titel "Advanced Composite Structures for Satellite Systems", der in der Zeitschrift ROA Engineer, 26-4·, Januar/Februar 1981 erschienen ist, beschreibt ausführlicher die vorstehend erwähnten und andere Verbundmaterialien (einschließlich Bor- und Faserglas), die in verschiedenen Satelliten und ihren Reflektorkonstruktionen verwendet werden. Auf den Seiten 15-17 dieser Veröffentlichung ist eine Verbundstruktur beschrieben, die in einer Anordnung mit sich überlappenden polarisierten Antennenreflektoren verwendet wird. Diese Anordnung enthält Parabolreflektoren mit einer Kevlar/Epoxy-Sand-Wichstruktur.

Eine andere Beschreibung von Antennenreflektoren in Verbundstruktur findet sich in einer Arbeit von Mazzio u.a. mit dem Titel "Optimized Design and Fabrication Processes JO for Advanded Composite Spacecraft Structures", veröffentlicht in I7th Aerospace Sciences Meeting, New Orleans, Louisiana, Januar 15-17, 1979, Seiten 5 und 6. Diese Struktur enthält eine Schichtanordnung von graphitfaserverstärktem Epoxymaterial auf einem Aluminium-Wabenkern.

Die in den vorstehend erwähnten Veröffentlichungen beschriebenen Sandwich-Überzüge haben zwar geringe Wärme-

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ausdehnungskoeffizienten, andererseits sind die Wärmeausdehnungskoeffizienten des Wabenkerns und der zum Festhalten der Überzüge verwendeten iClebstoffe hoch. Diese hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten und der Einfluß des !Temperaturgradienten durch die Dicke des Wabenkerns wirken sich ungünstig hinsichtlich der Wärmeverformung in Reflektoren aus, die aus solchen Verbundstrukturen bestehen. Die kombinierte Wirkung von Materialien mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten und eines relativ dicken Wabenkerns macht solche Verbundstrukturen ungeeignet für die Verwendung in großen Reflektoren, wie sie z.B. in Direktfunksatelliten zur Abstrahlung hoher Leistung und hoher Frequenzen benötigt werden.

Gegenstand der Erfindung ist eine Reflektorkonstruktion für elektromagnetische Strahlung mit einem Reflektor, der eine vordere reflektierende Oberfläche in der Gestalt eines Abschnitts der Oberfläche eines Rotationskörpers hat. Erfindungsgemäß enthält der Reflektor eine Platte aus geschichteten] Material, in welcher die Vorderfläche gebildet ist, und eine ringförmige Versteifungsrippe aus geschichtetem Material, die an der Rückfläche der Platte befestigt ist und um den Umfang der Platte verläuft. Das geschichtete Material, aus dem die Platte und die Rippe bestehen, enthält eine Vielzahl von Schichten, deren gede mehrere Lagen aus graphitfaserverstärktem Epoxymaterial aufweist. Die Lagen jeder Schicht sind relativ zueinander derart orientiert und die Schichten symmetrisch zu Mitte der Dicke des geschichteten Materials angeordnet, daß die Platte und die Rippe quasi-isotropische Eigenschaften haben.

Die Erfindung wird nachstehend an Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in Seitenansicht eine erfindungsgemäße Reflektorkonstruktion für elektromagnetische Wellen;

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Fig. 2 zeigt die Reflektorkonstruktion von unten in einer Ansicht gemäß der Linie 2-2 in Fig. 1 ;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Reflektorkonstruktion gemäß der Linie 3-3 in Fig. 1;

Fig. 4 zeigt einen Teilschnitt durch die Reflektorkonstruktion gemäß der Linie 4-4 in Fig. 2;

Fig. 5 zeigt perspektivisch, die Unterseite der Reflektorkonstruktion nach Fig. 1 mit der Rippenstruktur;

Fig. 6 zeigt in einer Draufsicht auf einen Teil der Reflektorstruktur nach Fig. 1 die verschiedenen Lagen ei-ηer einzelnen Schicht;

Figuren 7A und 7B zeigen in isometrischen Darstellungen mehrere Schichten zur Verwendung in der Konstruktion nach Fig. 1;

Fig. 8 zeigt einen Schnitt durch die Reflektorkonstruktion nach Fig. 1;

Fig. 9 ist eine graphische Darstellung zur Erläuterung einiger der erfindungsgemäßen Prinzipien;

Fig. 10 zeigt teilweise aufgebrochen eine Teilansicht der Konstruktion nach Fig. 1 im Angriffsbereich der den Reflektor haltenden Ausleger;

Fig. 11 zeigt die Anordnung der Ausleger.

Die in den Figuren 1 und 2 dargestellte Reflektorkonstruktion 10 für elektromagnetische Strahlung hat folgende Bestandteile: eine Parabolreflektorplatte 12; eine kreisrunde Verstärkungsrippe 70, die an der Rückfläche 72 der Reflektorplatte 12 befestigt ist_$ zwei querverlaufende Ver-

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Stärkungsrippen 14· und 16, die an der Rückfläche 72 der Reflektorplatte 12 und an der nach innen weisenden Wand 76 der ringförmigen Rippe 70 befestigt ist, und schließlich eine Haltevorrichtung 18. Die Vorderfläche 71 der Platte 12 hat die Form eines Teils eines Paraboloids, der abseits vom Scheitel V des Paraboloids liegt. Im Brennpunkt F des Paraboloids befinden sich die Speiseeinrichtungen für die Antenne. Die sich von der Mitte der Platte 12 zum Brennpunkt F erstreckende Linie 13 ist gebrochen dargestellt, weil sich der Brennpunkt F viel weiter von der Platte 12 weg befindet, als es mit einer durchgehenden Linie in der Zeichnung dargestellt werden kann. Der Brennpunkt F auf der Linie 13 ist der Schnittpunkt dieser Linie mit einer Linie 15» die sich vom Scheitel V- durch den Brennpunkt F erstreckt. Die Oberfläche 71 der Reflektorplatte 12 kann auch die Form eines Teils der Oberfläche irgendeines anderen Rotationskörpers haben, z.B. eines Ellipsoids, einer Kugel oder eines Hyperboloids.

Die Reflektorplatte 12, die Rippen 70, 14- und 16 und die Haltevorrichtung 18 sind aus einem Stoff gebildet, der aus mehreren Lagen eines einseitig gerichteten graphitfaserverstärkten Epoxymaterials besteht, wie es weiter unten näher besehrieben wird. Anders als bekannte Reflektoren, in denen zellige Strukturen als Stützmaterial verwendet werden, bildet die hier beschriebene Platte 12 ein solides Gefüge oder "Laminat" aus mehreren Schichten, wobei jede Schicht solche Lagen aus einseitig gerichtetem graphitfaserverstärktem Epoxymaterial aufweist. Diese solide Struktur ist relativ dünn (z.B. 0,4-5 mm) und hat hohe Festigkeit und Steifigkeit. Da das Material, aus dem diese Struktur gebildet ist, einerseits dünn ist und andererseits quasi-isotropische Eigenschaften hat, erfährt die Konstruktion einschließlich der Platte 12 nur geringe Wärmeverformung, wenn sie Temperaturschwankungen ausgesetzt ist.

Nachfolgende sei erläutert, was unter "quasi-isotropischer" Eigenschaft zu verstehen ist. Man nehme einen gegebenen Punkt P auf der Reflektorplatte 12, wie in Pig. 9 gezeigt, und beobachte diesen Punkt hinsichtlich eines bestimmten Strukturparameters, z.B. hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten, des Elastizitätsmoduls, usw.. Der beobachtete Parameter ändert seine Amplitude um den Punkt P, wie es die Kurve a zeigt. Die radiale Abmessung R stellt den Betrag des untersuchten Parameters dar. Wenn man den Parameter der Platte 12 über einen Kreisbogen von 360° um den Punkt P beobachtet, ändert sich die Abmessung R zwischen irgendeinem Maximalwert R und irgendeinem Minimalwert R'_m (wenn R um den Punkt P gedreht wird).

Wenn der Winkelabstand zwischen Scheitelwerten der Kurve a nicht größer ist als 60° und die Differenz zwischen R_1n und R*_m klein ist, dann nennt man das Material quasi-isotropisch. Bei einem ideal isotropischen Material wäre R konstant, und die Kurve a wäre ein Kreis.

Die dargestellte Periode W, d.h. der Winkelabstand zwischen Scheitelwerten R_ffl der Dimension R, ist nicht größer als 60°, und die Differenz zwischen R und R' ist klein, so daß die Platte 12 quasi-isotropisch ist. Für den Wärmeausdehnungskoeffizienten der aus dem beschriebenen quasi-isotropischen Laminat bestehenden Platte 12 gilt, daß sowohl die Amplitude der Dimension R als auch die Änderung dieser Dimension sehr nahe an Null sind. Die Laminate, die als Bestandteile in anderen Elementen der Konstruktion 10 nach den Figuren 1 und 2 verwendet werden, sind ähnlich aufgebaut wie das Laminat der Platte 12 und sind ebenfalls quasiisotropisch.

Wenn in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit dem Aufbau der Platte 12 und anderer Laminatstrukturen der Ausdruck "Lage" verwendet wird, dann ist hierunter eine Einzelschicht eines bestimmten Materials zu verstehen. Eine

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solche Lage kann aus einer Vielzahl schmaler Bänder bestehen, die Kante an Kante nebeneinanderliegen, oder aus Breitware· Der Ausdruck "Schicht" wird für einen Aufbau aus zweien oder mehreren der erwähnten Lagen verwendet.-

Das im vorliegenden Fall zur Bildung einer jeden Lage verwendete Material ist graphitfaserverstärktes Epoxymaterial (abgekürzt GS¹VE), d.h. es besteht aus Graphit fasern, die mit einem Epoxydkunstharz vorimprägniert sind· Ein solches Material ist im Handel in Form von Bändern oder als Breitware erhältlich, -^ie vorimprägnierten Fasern bei Raumtemperatur heißen "Prepreg"-Material. Das Epoxydkunstharz des"Prepreg"-Material ist bei Raumtemperatur klebrig und dient daher als Klebstoff zum Befestigen der einzelnen Lagen eines Schichtaufbaus aneinander, wie es noch beschrieben wird. Unter "Breitware" versteht man einen Stoff, in welchem die Pasern im Winkel von 90° zueinander orientiert und miteinander verwoben sind, um den Stoff für die Lage zu bilden. Die sogenannten "Bänder" enthalten einseitig gerichtete Pasern, d.h. alle Pasern laufen zueinander parallel. In einem Band bilden die Graphitfasern mindestens 50% der Struktur. Eine Faserlänge im Band wird als "Zug" bezeichnet. Die Graphitfasern im Band haben einen Elastizitätsmodul von mehr als 5,27· 10 kg/cm . Vorzugsweise besteht das Band aus Fäden mit konstanter Teilung, die nicht nur parallel, sondern auch koplanar sind. Solche Bänder sind in der Struktur nach den Figuren 1 und 2 im halbgehärteten oder klebrigen Zustand zusammengefügt. Das Band, das als ein Streifen des Prepreg-Materials zu betrachten ist, hat eine Breite, die klein im Vergleich zu seiner Länge ist. Ein solches Band ist im Handel in Rollenform erhältlich, wobei die Lagen des Prepreg-Materials in der Rolle durch nichtklebendes Zwischenmaterial getrennt sind.

Wenn man das Prepreg-Band unter erhöhter Temperatur und unter Druck aushärten läßt, erhält man eine starre Lage hoher Festigkeit. Das imprägnierende Harz, das relativ

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- 12 frei von Fremdmaterial sein sollte, greift keine Metalle

an und kann "bei niedrigem Druck (z.B. 1 bis 14 kg/cm ) geformt werden.

Wenn das Prepreg-Material zur Bildung einer Lage aufgebracht wird, sollten die Fäden, d.h. die Graphitfasern, im wesentlichen parallel bleiben und sich nicht überkreuzen, keine Runzeln bilden oder sonstwie verzerrt werden. Eine Runzel ist ein Teil des Materials, das nicht in der gleichen Ebene wie der Rest des Bandes liegt. Der Abstand zwischen benachbarten "Zügen" sollte gleichmäßig und klein sein. Eine Unterbrechung im Zug oder eine andere Beschädigung in einer Anzahl von Fasern ist ebenfalls nicht wünschenswert. Die Züge können jedoch verspleißt sein.

Ein in der vorliegenden Struktur benutztes Prepreg-Band kann z.B. eine Breite von 7,6 cm haben und zur Bildung einer Platte 12 mit einem Durchmesser von etwa 216 cm verwendet werden. Die Faserzüge in jedem Band sollten parallel zu den beiden Kanten des Bandes verlaufen, wenn auch eine geringfügige Abweichung innerhalb der Ebene des Bandes akzeptierbar ist.

Die Reflektorkonstruktion 10 nach den Figuren 1 und 2 wird folgendermaßen aufgebaut. Die Reflektorplatte 12 besteht aus mindestens zwei Schichten. Jede Schicht ist aus den oben beschriebenen GFVE-Bändern gebildet. Die Schichten können auch aus gewobenen Stoffen bestehen, wie es noch beschrieben wird.
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Jede Schicht kann drei Lagen des GFVE-Materials aufweisen, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Es werden einzelne Bänder dieses Materials in aufeinanderfolgenden Lagen, jeweils Lage für Lage, auf der Oberfläche einer Formschablone verlegt. Die Schablone zur Bildung der Platte 12 hat eine Oberfläche entsprechend dem oben beschriebenen Ten der Oberfläche eines Rotationskörpers. Formschablonen zur BiI-

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dung anderer Elemente haben entsprechend gestaltete andere Oberflächen. In jedem lall werden die Lagen aller Schichten, nachdem sie auf der Schablone geformt worden sind, bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck ausgehärtet.

Gemäß der Mg. 6 besteht eine erste Lage 20 einer Schicht 22 aus einer Vielzahl von Bändern 24, 26, 28, usw., deren Pasern in der Nullgrad-Richtung 30 orientiert sind. In der Lage 20 stößt die Kante 34 des Bandes 28 an die Kante 32 des benachbarten Bandes 26. Die andere Kante 36 des Bandes 26 stößt an die Kante 38 des Bandes 24. Der übrige Teil der Lage 20 ist in ähnlicher Weise aus Bändern zusammengesetzt, deren Kanten aneinanderstoßen, um eine einzige Lage zu bilden, deren Dicke gleich derjenigen der einzel-ηen Bänder ist. Jedes Band erstreckt sich vollständig über die Reflektorplatte 12, d.h. zwischen Punkten des Randes 40, der in Pig. 2 dargestellt ist. Wären die Bänder 24, 26, 28, usw. der.Lage 20 auf einer ebenen Oberfläche verlegt (anstatt auf der gekrümmten Oberfläche der Pormschablone), dann lägen alle Pasern 42, 44, usw. parallel zueinander. Indem man schmale Bänder 24, 26, 28, usw. der Lage 20 so auslegt, daß ihre Kanten ohne Überlappung aneinanderstoßen, bleiben die Pasern 42, 44, usw. über die gesamte Länge jedes Bandes im wesentlichen im gleichen Abstand zueinander, obwohl die Bänder und ihre Pasern der gekrümmten Oberfläche der Schablone folgen.

Bevor die Bildung weiterer Lagen beschrieben wird, sei die Breite jedes Bandes relativ zu seiner Länge innerhalb einer Lage betrachtet. Im Idealfall sollten alle Pasern in einem Band parallel sein. Sobald das Band gebogen wird, um einem Abschnitt der gekrümmten Oberfläche des durch die Schablone dargestellten Rotationskörpers zu folgen, verschieben sich die Pasern aus ihrer Parallelausrichtung. Die maximal zulässige Abweichung der Paserrichtung (Toleranz) ist füj? die jeweils spezielle Ausführungsform vorgegeben und kann z.B. auf 0,1° für benachbarte Pasern festgelegt sein. Von

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dieser Toleranz und von der Brennweite der Oberfläche des Rotationskörpers (oder anders ausgedrückt von der Flachheit dieser Oberfläche) hängt es ab, welche Breite für das Bandmaterial gewählt wird. Je flacher die Oberfläche, desto breiter können die Bänder sein. Im Falle eines Paraboloids oder eines anderen Rotationskörpers ist die zu wählende Breite des Bandes proportional zur Brennweite und proportional der Toleranz. Diese Beziehungen lassen sich so zusammenfassen: wenn die Toleranz oder die Brennweite kleiner wird, dann müssen die Bänder schmäler sein, und wenn die Brennweite und die Toleranz größer werden, können die Bänder breiter sein. Beim hier betrachteten Beispiel wird ein Bandmaterial mit einer Breite von 7,6 cm verwendet, um eine Platte in der Form eines Paraboloids mit einer Brennweite von 216 cm zu bilden. Allgemein gilt, daß wenn die Brennweite und die Toleranz ausgewählt worden sind, die Breite des Bandes festgelegt werden kann.

Es sei nun die Bildung weiterer Lagen beschrieben, z.B. der Lage 46 in Fig. 6. Diese zweite Lage 46 wird in ihrem klebrigen vorimprägnierten Zustand in der gleichen Weise verlegt, wie die Auslegung von Bändern zur Bildung der Lage 20 erfolgte. Die Lage 4-6- klebt sich bei Raumtemperatur auf die klebrige Lage 20, die ebenfalls im vorimprägnierten Zustand ist. Man könnte aufeinanderfolgende Lagen wie 20 und 46 auch durch eine Klebstofflage miteinander verbinden (was hier nicht geschieht), im vorliegenden Fall dienen jedoch die beschriebenen klebrigen Harze als Klebemittel, so daß man keine zusätzliche gesonderte Klebstofflage benötigt. Bei der Ausführungsforra nach Fig. 6 verlaufen die Fasern der Lage 46 in einer Richtung 48, die gegenüber der Richtung 30 in einem Winkel von +60° orientiert ist,

Eine dritte Lage 54 der Schicht 22 ist in ähnlicher Weise hergestellt wie die Lagen 20 und 46. Die Lage 54 ist bei Raumgemperatur ebenfalls klebrig und klebt somit fest an der Lage 46. Die Fasern der Lage 54 erstrecken sich in

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einer Richtung 56, die gegenüber der Bezugslage 30 in einem Winkel von -60° orientiert ist.

Die Orientierung der Lagen 20, 46 und 54 kann verkürzt durch, den Klammerausdruck (0°/^60 ) beschrieben werden. Die Schicht 22, die aus diesen Lagen 20, 46 und 54 besteht, ist nach Aushärtung quasi-isotropisch.

Bei der gegenwärtig erläuterten Ausführungsform besteht · die Reflektorkonstruktion 1Ö aus der oben beschriebenen Schicht 22 und einer weiteren, ähnlich ausgebildeten Schicht 60, deren Lagen ebenfalls auf der Schablone und über den Lagen 20, 46 und 54 geformt werden. Die Fasern der Lagen 68, 66 und 64 sind in einer Weise orientiert, die spiegelbildlich in Bezug auf die Lagen innerhalb der Schicht 22 sind. Alle Lagen beider Schichten werden nacheinander, eine auf die andere, im klebrigen Zustand bei Raumtemperatur aufgebracht. Die Nullgrad-Bezugsrichtung für die Schicht 60 ist die gleiche wie die Nullgrad-Bezugsrichtung 30 in Fig. 6.

Nach der Schichtung wird das Laminat in einer bekannten Weise bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck ausgehärtet. Bei diesem Vorgang werden die Materialien hart und aneinandergebunden, wobei sie ihre Klebrigkeit verlieren.

Bei der bis hierher beschriebenen Ausführungsform hat also jede der beiden Schichten 22 und 30 jeweils drei Lagen,, wobei eine Lage in jeder Schicht ihre Faserorientierung in der Bezugsrichtung 30 hat, eine weitere Lage ihre Faserorientierung in der Richtung 48 (+60°), wobei die Faserorientierung der dritten Lage in jeder Schicht in die Richtung 56 (-60°) geht, wie es in Fig. 7A dargestellt ist. Die beiden Schichten 22 und 60, die in dieser Weise zueinander orientiert sind, bilden ein symmetrisches Laminat, dessen einzelne Schichten ausgeglichen sind.

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Ein symmetrisches Laminat ist definiert als ein Laminat, das eine mittlere Symmetrieebene (d.h. die Mitte der Dicke der Platte 12) hat, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Insoweit bedeutet eine "symmetrische" Schicht, daß die Lagen, deren Fasern in anderen Richtungen als in der Nullgrad-Bezugsachse orientiert sind, paarweise auftreten und daß die Lagen jedes Paars in gleichem Maß, aber in entgegengesetztem Sinne gegenüber der Nullgrad-Bezugsachse versetzt sind. Wie in den Figuren 7A und 8 zu erkennen ist, bildet die Schicht 60 ein Spiegelbild der Schicht 22· In anderen Worten: die einzelnen Lagen 20, 46 und 54 der Schicht 22 (in dieser Reihenfolge) sind Spiegelbilder der Lagen 68, 66 und 54 der Schicht 60. Ein solches Laminat läßt sich mit dem Klammerausdruck (0⁰/±60°/+60⁰,0°) oder (0/i60)_s bezeichnen, wobei der Index S die Symmetrie anzeigt. Außerdem ist jede der Schichten 22 und 60 für sich ausgeglichen. In der Schicht 22 beispielsweise sind die Fasern der Lage 20 in der Nullgrad-Richtung 30 orientiert, während die Fasern der beiden 46 und 54 (die einzigen anderen Lagen in der Schicht

22) in den Richtungen 48 bzw. 56 orientiert sind, die gegenüber der Richtung JO um +60° bzw. um -60° versetzt sind.

Jede Lage wie z.B. die Lage 20 kann eine Dicke von etwa 75/*& haben, so daß die ganze Reflektorstruktur 10 nach Fig. 1 etwa 0,45 mm dick ist. Diese geschichtete Struktur von sechs Lagen einseitig gerichteten GFVE-Materials bildet die ganze Platte 12, wie sie innerhalb der Reflektorkonstruktion verwendet wird. Andere Klebestoffe als die zur Bildung des Prepreg-Materials verwendeten Epoxydharze sind zur Herstellung des Schichtaufbaus nicht erforderlich.

In anderem Zusammenhang ist es bekannt, daß quasi-isotropische Eigenschaften auch mit einseitig gerichteten Fasern erreicht werden können, die andere Orientierungen als die oben beschriebene (0°/±60°)-0rientierung haben. Eine dieser anderen Orientierungen erhält man, wenn man die GFVE-Breitware (breite gewobene Stoffe) verwendet.

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Zur Herstellung einer Lage aus Breitware wird der betroffene Stoff nicht in· Streifen verlegt, wie man es bei Verwendung der oben beschriebenen Bänder tut. Solche Webstoffstreifen würden zu Diskontinuitäten unter den Fasern an "den Streifenkairten führen. Diese Diskontinuitäten ihrerseits wurden die Festigkeit und Steifigkeit der aus solchen Lagen gebildeten Reflektoroberfläche beeinträchtigen. Aus diesem Grund werden die erwähnten Breitware-Stoffe keilförmig zugeschnitten und in einem Keilmuster verlegt, d.h. in einem Muster aus dreieckigen Stücken.

In GFVE-Webstoffen ist ein Teil der gewobenen Fasern in einer Nullgrad-Richtung orientiert und der andere Teil in einem V/inkel von 90° relativ zur Nullgrad-Richtung. Wie in Fig. 7B gezeigt, ist eine Schicht 206 aus zwei Lagen von Webstoffen gebildet (wobei die Fasern der einen Lage 200 im Winkel von 4-5° relativ zu den entsprechenden Fasern der anderen Lage 202 orientiert sindi Eine zweite, spiegelbildliche Schicht 208 besteht aus zusätzlichen Webstofflagen und ist auf die erste Schicht 206 geschichtet, um eine Symmetrieebene an der Grenze zwischen den Schichten 206 und 208 zu bilden. In diesem Fall besteht eine Schichtstruktur aus mindestens vier Lagen von GFVE-Webstoffen. . Es ist auch möglich, die verschiedenen Lagen in anderen Winkeln zueinander zu orientieren, um die gewünschten quasiisotropischen Eigenschaften zu erhalten.

Die den Reflektor 10 bildende geschichtete Platte hat quasiisotropische Eigenschaften hinsichtlich ihres Wärmeausdehnungskoeffizienten, ihres Elastizitätsmoduls und hinsichtlich der durch Feuchtigkeitsverdampfung herverufenen Spannung. Diese Spannung tritt dann auf, wenn die Reflektorstruktur in das Vakuum des Weltraums gelangt. Zu diesem Zeitpunkt verdampft die in der Struktur enthaltene Feuchtigkeit und hinterläßt eine Spannung innerhalb der Reflektorstruktur. Diese Spannung bleibt nach dem vollständigen Austritt der Feuchtigkeit vorhanden und bewirkt eine dauern-

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de Verformung in der Struktur· Es ist erforderlich, daß die Dimensionen der Reflektorstruktur innerhalb akzeptierbarer Grenzen bleiben, nachdem die Struktur dieser Feuchtigkeitsverdampfungsspannung ausgesetzt ist. Aus diesem Grund ist das im Reflektor 10 verwendete Laminat so konstruiert, daß sein Feuchtigkeitsdehnungskoeffizient, der mit dem Problem der Feuchtigkeitsverdampfung zusammenhängt, möglichst nahe an Null ist.

Die Reflektorstruktur soll sich nur minimal verformen, wenn sie während des Umlaufes um die Erde in die volle Sonne oder in den vollen Schatten gelangt. Diese Verformung ist durch den Wärmeausdehnungskoeffizienten des für die Struktur verwendeten Materials bestimmt. Aus diesem Grund wird für die Herstellung der Struktur ein Material ausgewählt, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient möglichst nahe an Null ist.

Wie bereits erwähnt, soll die Reflektorstruktur 10 elektromagnetische Strahlung in einem Bereich hoher Frequenzen reflektieren, z.B. im K-Band. Daher ist die vordere konkave Oberfläche 71 des Reflektors mit eäner im Vakuum aufgedampften Zwischenschicht aus Metall wie z.B. aus Chrom versehen, deren Dicke etwa 100 S beträgt. Die Chromschicht ist ihrerseits mit einer Aluminiumschicht einer Dicke von etwa 5000 A* bedeckt. Das Metall der Zwischenschicht (im vorliegenden Fall Chrom) ist so ausgesucht, daß es die Haftung des Aluminiums an der GFVE-Struktur verbessert. Das Aluminium erhöht das Reflexionsvermögen der Oberfläche 71 des Reflektors 10 für HF-Wellen. Die Aluminiumschicht ist mit einem zusätzlichen dünnen Schutzüberzug aus SiOo versehen, der die Aluminiumschicht vor Oxidation schützt. Die Metallschicht und der Schutzüberzug dichten auch die GFVE-Struktur ab und verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit. Da die Schichten aus Chrom, Aluminium und SiOp dünn sind, ist ihr Einfluß auf den Wärmeausdehnungskoeffizienten, die Festigkeitseigenschaften und das Gewicht des Reflektors 10 vernachlässigbar. - 19 -

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Die ringförmige Versteifungsrippe 70, die in den Figuren 1, 2 und 5 zu erkennen ist, ist an der Rückfläche 72 der Platte 12 mittels eines Epoxy-Klebstoffes festgeklebt, um den Reflektor zusätzlich zu versteifen. In der Schnittansieht nach Fig. 4- ist die Versteifungsrippe 70 als ringförmiges Element mit U-Profil dargestellt, das eine äußere kreiszylindrische Seitenwand 74 konzentrisch mit einer inneren kreiszylindrischen Seitenwand 76 und eine ebene ringförmige Rückwand 82 aufweist. Jede der Seitenwände 74 und 76 und die Rückwand 82 enthalten zwei Schichten graphitfaserverstärkten Epoxymaterials und sind ähnlich aufgebaut, wie es in Verbindung mit dem Aufbau der Platte 12 beschrieben wurde. Die Wände 74 und 76 sind mit einem Epoxy-Klebstoff an den Rändern 78 und 80 der ebenen, ringförmigen Rückwand 82 festgeklebt. Die Ränder 84 und 86 der Seitenwände 74 und 76 sind mit einem Epoxy-Klebstoff an der Rückfläche 72 der gekrümmten Reflektorplatte 12 festgeklebt.

Die äußere Seitenwand 74 der Rippe 70, die nahe dem Umfangsrand 40 der Reflektorplatte 12 verläuft, kann mit diesem Umfangsrand bündig sein oder (wie in Fig. 4 gezeigt) etwas nach innen versetzt liegen. Eine Vielzahl gleichmäßig beabstandeter Löcher 88 in den Wänden 74 und 76 der Rippe vermindern die Masse (und damit das Gewicht) der Rippe 70, ohne ihre wirksame Festigkeit zu reduzieren. Diese Löcher sind in Fig. 5 nicht dargestellt.

Die Rippe 70 versteift den Reflektor 10 durch Aufbieten eines zusätzlichen Widerstands gegenüber einer Verformung des Reflektors 10, wie sie durch Kräfte hervorgerufen werden könnte, die am mittleren !Teil der Reflektorplatte 12 angreifen und im Sinne einer Zusammenschnürung oder Ausweitung des Randes der Platte 12 wirken. 35

Die in den Figuren 1, 2, 10 und 11 zu erkennende Haltevorrichtung 18 enthält zwei kreiszylindrische Stützrohre 90

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und 92. Jedes der Rohre 90 und 92 besteht aus mehreren Lagen einseitig gerichteten GFVE-Materials. Die Rohre 90 und 92 werden hergestellt, indem man Bänder oder Fäden der einzelnen Lagen auf einen Dorn wickelt. Die einzelnen Lagen sind so orientiert, daß sich eine maximale axiale Steifigkeit, ein minimaler Wärmeausdehnungskoeffizient in Axialrichtung, eine ausreichende Torsionsfestigkeit und ein ausreichender Elastizitätsmodul ergeben. Bei einer Ausführungsform bestehen die Rohre 9° u*³*! 92 aus zehn Schichten, wobei jede Schicht aus zwei Lagen einseitig gerichteten GFVE-Materials besteht, das in der einen Lage im Winkel von +10° und in der anderen Lage im Winkel von -10° gegenüber der Axialrichtung des betreffenden Rohrs 90 bzw. 92 orientiert ist. Die resultierende Wandstärke der Rohre ist in diesem Fall ungefähr gleich 1,5 mm. Der Durchmesser der Rohre beträgt ungefähr 5 cm. Die Rohre 90 und 92 sind am Reflektor 10 mittels eines Gerüstes 94- befestigt.

Das Gerüst 94-, von dem Einzelheiten in den Figuren 10 und' 11 zu erkennen sind, weist eine obere Platte 96 und eine untere Platte 98 auf. Jede der Platten 96 und 98 ist so gekrümmt, daß sie sich einer zugeordneten Oberfläche der Reflektorstruktur 10 anpaßt, und besteht aus zwei Schichten von GFVE-Material ähnlich den Schichten 22 und 60. Die Platte 98 kann eine Verlängerung der Reflektorplatte 12 sein . (und ist auch so dargestellt). Die Platte 96 ist an der äußeren Oberfläche der Rückwand 82 der Rippe 70 festgeklebt. Zwei Kreiszylinder 100 und 102, deren jeder aus zwei Schichten GFVE-Materials ähnlich den Schichten 22 und 60 besteht, sind zwischen die Platten 96 und 98 geklebt. Die Zylinder 100 und 102 sind so bemessen, daß sie die Rohre 90 und 92 in enger Passung aufnehmen. Eine Vielzahl ebener Platten 104, 106, 108, usw. (deren jede aus zwei Schichten GFVE-Materials ähnlich den Schichten 22 und 60 besteht) sind derart aneinandergefügt, daß sie ein Fachwerk zwischen den Platten 96 und 98 'bilden. Dieses Fachwerk ist von einer

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daran festgeklebten Außenwand 116 umschlossen, die ebenfalls aus zwei Schichten GFVE-.Materials ähnlich den Schichten 22 und 60 besteht. Die Wand 116 hat Löcher 114, um die Struktur leichter zu machen. Die Elemente des Gerüstes 94 werden mit der anderen Struktur des Reflektors 10 durch Klebstoffe verbunden, nachdem die einzelnen Elemente ausgehärtet worden sind.

Die Rohre 90 und 92 greifen in die Zylinder. 100 und 102 und sind darin festgeklebt. Die gegenüberliegenden Enden der Rohre 90 und 92 sind an der Raumfahrzeugplattforni 119 angelenkt, wie es gestrichelt bei 118 in Fig. 1 gezeigt ist. Diese gesamte Reflektorkonstruktion hängt damit schwenkbar an der Plattform 119, damit der Reflektor 10 während des Abschusses des Raumfahrzeugs in einer Stauposition liegen kann und nach dem Erreichen der Umlaufbahn in eine Betriebsposition ausgeklappt werden kann (wie sie in Pig. 1 dargestellt ist). Um die Reflektorkonstruktion in der Stauposition festzuhalten, sind an den in Fig. 2 mit 122 und 124 bezeichneten Stellen und an den Rohren 90 und 92 Verankerungspunkte vorgesehen.

Die Versteifungsrippen 14 und 16 erhöhen die Festigkeit und Steifigkeit der Reflektorstruktur. Nach ihrer Herstellung werden die Rippen 14 und 16 auf die Rückfläche 72 der Reflektorplatte 12 geklebt. Die Rippen 14 und 16 haben den gleichen Querschnitt und sind aus dem gleichen Material wie die Rippe 70. Die Rippen 14 und 16 sind so geformt, daß sie sich der parabolischen Gestalt der Rückfläche 72 anpassen.

Die Rippe 16 ist mit dem Rohr 92 und dessen Passung 124 ausgerichtet, und die Rippe 14 ist mit dem Rohr 90 und dessen Passung 122 ausgerichtet. Die Stoßstellen zwischen den Rippen 14, 16 und 70 sind durch Kappen abgedeckt, die aus einem plattenförmigen, mehrschichtigen GFVE-Material mit einseitig gerichteten Fasern hergestellt sind. Eine Kappe 126 bedeckt die Stoßstelle zwischen den Rippen 70 und 14, und eine Kappe 128 bedeckt die Stoßstelle zwischen den Rippen 70 und 16.

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Indem man die Reflektorplatte 12 zu einer soliden Struktur macht, werden HF-Reflexionsverluste im Reflektor 10 minimal gehalten. Indem man für den Reflektor und die Versteifungsrippen quasi-isotropische Laminate mit einem Wärmedehnungskoeffizienten nahe Null verwendet, werden Wärmeverformungen des Reflektors 10 minimal gehalten.

Nachstehend sei zusammengefaßt, welche günstigen Eigenschaften die Reflektorkonstruktion durch den beschriebenen Aufbau bekommt. Sowohl der Reflektor als auch die Versteifungsrippen sind quasi-isotropisch und haben einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der sehr nahe an Null ist. Die Reflektorplatte 12 ist symmetrisch bezüglich der Mitte ihrer Dicke. Der Reflektoraufbau benötigt Klebstoffe mit hohem Wärmeausdehnungskoeffizienten nur für die Konstruktion der Rippen und zur Befestigung der Rippen und des !Fachwerkgerüstes an der Reflektorplatte. Der Reflektoraufbau benötigt kein Wabenmaterial. Die Temperaturdifferenz über die Dicke der Reflektorplatte ist minimal, weil die Reflektorplatte dünn ist (etwa 0,45 mm). Alle diese Eigenschaften tragen dazu bei, daß die Reflektorkonstruktion unter den im Weltraum herrschenden Bedingungen nahezu keine Verformungen erfährt und daher ein besonders gutes Leistungsvermögen hat. Da alle verwendeten geschichteten Blattmaterialien relativ dünn und leicht sind, ist die Gesamtkonstruktion leichter als andere Strukturen gleichen Durchmessers, die zellige Kerne enthalten. Die Aluminiumschicht ist für Frequenzen des C-Bandes nicht unbedingt notwendig, bei Frequenzen des K-Bandes hält sie jedoch die Reflexionsverluste minimal.

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Claims

P at en tan sp rüch e

1.1Reflektorkonstruktion für elektromagnetische Strahlung

mit einem Reflektor, der eine vordere, elektromagne-.10 tische Strahlung reflektierende Oberfläche in der Form eines Teils der Oberfläche eines Rotationskörpers hat, dadurch gekennzeichnet,

daß die vordere Fläche des Reflektors in einer Platte (12) eines Schichtmaterials gebildet ist;

15 daß an einer Rückfläche (72) der Platte eine ringförmige Versteifungsrippe aus Schichtmaterial (70) befestigt ist, die um den Umfang der Platte verläuft;

daß das Schichtmaterial, aus dem die Platte und die Rippe gebildet sind, "mehrere Schichten (22, 60 in Fig. 20 TA; 206, 208 in Fig. 7B) enthält, deren jede aus mehren Lagen (20, 46, 54-, usw*) graphitfaserverstärkten

Epoxymaterials besteht;

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daß die Fasern^ der einzelnen Lagen jeder Schicht zueinander so orientiert und die Schichten symmetrisch um die Mitte der Dicke des Schichtmaterials derart kombiniert sind, daß das Schichtmaterial quasi-isotropische Eigenschaften hat.

2. Reflektorkonstruktion nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß jede der Lagen einer jeden Schicht aus einer Vielzahl von Bändern aus graphitfaserverstärktem Epoxymaterial besteht}

daß die Querabmessung jedes der Bänder klein gegenüber der Bandlänge ist und daß die beiden Längskanten jedes Bandes parallel zu den Pasern verlaufen; daß die Bänder jeder Lage an ihren Kanten aneinanderstoßen, um die jeweilige Lage als' kontinuierliches Blatt zu bilden.

3. Reflektorkonstruktion nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei beabstandete langgestreckte Versteifungsrippen (14-, 16), die sich quer über die Rückfläche der Schichtplatte (12) erstrecken und fest an dieser Platte und an der ringförmigen Versteifungsrippe (70) geheftet sind, und daß diese beiden Rippen aus im wesentlichen dem gleichen Material bestehen, welches in der Platte und in der ringförmigen Versteifungsrippe ist.

4. Reflektorkonstruktion nach einem der vorhergehenden

Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Rippe (70 in Fig. 4) ein hohles Element mit U-förmigem Querschnitt ist und aus zwei Seitenwänden (74·, 76) und einer Rückwand (82) besteht, die mit jeweils einem Rand der beiden Seitenwände zusammengeheftet ist, und daß der jeweils gegenüberliegende Rand jeder der Seitenwände an der Rückfläche der Platte (12) angeheftet ist.

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5· Reflektorkonstruktion nach einem der Ansprüche 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Schichten mindestens drei aufeinanderliegende Lagen enthält und daß in jeder Schicht die Fasern der drei aufeinanderliegenden Lagen eine Orientierung 0⁰/i60° zueinander haben (Fig. 7A).

6. Reflektorkonstruktion nach Anspruch 5* dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern einer ersten Lage (20, 68) in jeder Schicht (22, 60) die gleiche Bezugs-Orientierung (0°) haben und daß die Fasern einer zweiten und einer dritten Lage (46, 54 und 66, 64) in jeder Schicht Orientierungen (+60°, -60°) haben, die bezüglich der Bezugsorientierung der ersten Lage der betreffenden Schicht spiegelbildlich sind.

7. Reflektorkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die erste Oberfläche des Reflektors eine Aluminiumbeschichtung auf der vorderen Fläche aufweist und daß diese Aluminiumbeschichtung ihrerseits mit einem Überzug aus Siliziumdioxid versehen ist.

8. Reflektorkonstruktion nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen Antennenausleger (90, 92) zum Befestigen des Reflektors im Abstand an einem Träger (118, 119) und eine Einrichtung (94, 96), die an der Umfangsrippe (70) und an der Reflektorplatte (12) angreift, um den Antennenausleger am Reflektor zu befestigen.

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