DE3803712A1 - Freifallkapsel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Freifallkapsel zur Beherbergung von Nutzlasten, die während des freien Falls für kurze Zeit Mikrogra­ vitationsbedingungen ausgesetzt sind, bestehend aus einer im we­ sentlichen zylindrisch geformten und mit einer kegelförmigen Spitze versehenen Außenkapsel sowie aus einem innerhalb dieser Außenkapsel befindlichen Nutzlastbehälter.

Freifallkapseln der genannten Art kommen in der Regel in evaku­ ierten Falltürmen zum Einsatz, wo sie am oberen Ende einer be­ stimmten Fallstrecke aus einer Haltevorrichtung ausgeklinkt wer­ den. Während ihrer einige Sekunden dauernden Fallzeit können in ihrem Inneren mit Nutzlasten Experimente unter Mikrogravitations­ bedingungen durchgeführt werden.

Da die Experimentierdauer durch die Fallstrecke des Fallturms be­ grenzt ist und viele Experimente unter Mikrogravitationsbedingun­ gen längere Experimentierzeiten als wenige Sekunden beanspruchen, besteht ein Bedarf an einem Nutzlastträger, der Nutzlasten kosten­ günstig für einen längeren Zeitraum Mikrogravitationsbedingungen aussetzt. Zwar besteht die Möglichkeit, mit sogenannten Höhen­ forschungsraketen Experimentierzeiten von etwa 5 bis 30 Minuten zu erzielen, die Kosten für auf solchen Trägern durchzuführenden Experimente sind jedoch vergleichsweise hoch. Zudem bedarf es im Unterschied zu Freifallkapseln aufgrund der Integrationsarbeiten und Startvorbereitungen für die Trägerrakete relativ langer Vorbe­ reitungszeiträume, die in der Regel nur zwei bis vier Raketen­ schüsse pro Jahr und Startrampe zulassen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Experimententräger vor­ zustellen, mit dem im Vergleich zu Freifallkapseln eine längere Experimentierzeit unter Mikrogravitationsbedingungen und gegenüber Höhenforschungsraketen kostengünstiger und häufiger Missionen durchführbar sind.

Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß eine Freifallkapsel geschaffen wird, die in eine Außenkapsel und in einen Nutzlastbe­ hälter unterteilt wird, wobei der Nutzlastbehälter über eine Kupplung in der Außenkapsel ausklinkbar aufgehängt ist. Diese Freifallkapsel ist primär für den Einsatz in der freien Erdatmos­ phäre bestimmt, bei welchem während des freien Falls eine bordei­ gene Kontroll- und Steuerungseinheit mit Hilfe von Sensoren und Triebwerken Mikrogravitationsbedingungen hoher Qualität erzeugt und überwacht.

Die Freifallkapsel wird für die Durchführung der Nutzlastexperi­ mente von einem Flugzeug, einem Luftschiff oder einem Ballon in große Höhen der Erdatmosphäre getragen. Nach dem Ausklinken, Ab­ stoßen oder Abschießen der Freifallkapsel wird von der Kontroll- und Steuerungseinheit an Bord dieses Experimententrägers die Fallbeschleunigung kontinuierlich bestimmt. Stimmen - ggf. durch zusätzliches Zünden bordeigener Beschleunigungstriebwerke - die Fallbeschleunigung der Fallkapsel und die Erdbeschleunigung überein, so wird der Nutzlastbehälter von der Außenkapsel durch das Öffnen der Kupplungsstelle getrennt. Er schwebt dann von äußeren Einflüßen unberührt in einem Raum, der die Nutzlastbe­ hälteraußenwand von der Außenkapselinnenwand voneinander trennt. Die Kontroll- und Steuerungseinheit überwacht mit Hilfe von Abstandssensoren die Position des Nutzlastbehälters innerhalb der Außenkapsel. Nutzlastinduzierte Störbeschleunigungen sowie Störbe­ schleunigungen, die von außen auf die Freifallkapsel sowie Störbe­ schleunigungen, die von außen auf die Freifallkapsel wirken (wie beispielsweise der mit steigender Falldauer zunehmende und die Fallbeschleunigung verringernde Luftwiderstand, oder Querbeschleu­ nigungen durch Wind), werden von den Beschleunigungssensoren und den Abstandssensoren der Kontroll- und Steuereinheit erfaßt und zu Signalen verarbeitet, die Beschleunigungs- und/oder Steuer­ triebwerke der Freifallkapsel derart aktivieren, daß die aufge­ tretenen Störbeschleunigungen neutralisiert werden.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dar­ gestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittdarstellung der Freifallkapsel, und

Fig. 2 eine Draufsicht auf das stromabwärtige Ende der Freifallkapsel.

Bei der in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Freifallkapsel han­ delt es sich um eine im wesentlichen zylindrisch geformte Außen­ kapsel 2, die mit einer kegelförmigen Spitze versehen ist. Inner­ halb der Außenkapsel 2 befindet sich ein Nutzlastbehälter 1, der an einer Kupplung 3 zum Rest der Innenwand der Außenkapsel 2 be­ rührungsfrei aufgehängt ist. Der Nutzlastbehälter 1 hat eine zylindrische, in Strömungsrichtung mit einem aufgesetzten Kegel­ stumpf versehene Form.

Die Außenkapselinnenwand und die Nutzlastbehälteraußenwand begren­ zen einen evakuierbaren Raum 4, in dem der Nutzlastbehälter 1 nach seiner Trennung von der Kupplung 3 während des freien Falls in bezug auf das Koordinatensystem der Außenkapsel 2 schwebt. Ab­ standssensoren 6 an der Innenwand der Außenkapsel 2 registrieren den Abstand zwischen dem Nutzlastbehälter 1 und der Außenkapsel­ innenwand, und leiten dieses Abstandssignal weiter an eine im stromabwärtigen Teil der Freifallkapsel befindliche Kontroll- und Steuereinheit 5. In ihr werden Abweichungen des Nutzlastbehälter­ abstandes von der Außenkapselinnenwand und Abweichungen der Fall­ beschleunigung der Außenkapsel 2 von der Erdbeschleunigung in Aktivierungssignale für Beschleunigungs- und/oder Steuertrieb­ werke 7, 8 umgewandelt. Diese Triebwerke arbeiten so lange, bis die zur berührungsfreien Positionierung notwendige Ausgleichs­ beschleunigung der Außenkapsel 2 erreicht ist.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich in der Spitze der Außenkapsel 2 ein Aufpralldämpfer 9 aus einem Bewegungsenergie absorbierendem Material, der die Nutzlast beim Aufprall auf die Erde vor starken Beschädigungen schützt. Zudem verfügt die Freifallkapsel über ein an sich bekanntes Fallschirm­ system 10, das eine vergleichsweise weiche Landung auf der Erde oder eine Bergung in der Luft ermöglicht.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Steuer­ triebwerke der Freifallkapsel durch aerodynamisch wirkende und am Zylinderkörper angelenkte Steuerflossen ersetzt.

Neben der Verwendung der Freifallkapsel in der freien Atmosphäre ist eine Nutzung dieses Experimententrägers in evakuierten oder nicht evakuierten Falltürmen möglich, wobei durch die Verhinderung der Einflußnahme atmosphärischer Störgrößen der genannten Art weitaus bessere Mikrogravitationsbedingungen herstellbar sind, als mit den bisher bekannten Freifallkapseln.

Claims (6)

1. Freifallkapsel zur Beherbergung von Nutzlasten, die während des freien Falls für kurze Zeit Mikrogravitationsbedin­ gungen ausgesetzt sind, bestehend aus einer im wesentlichen zylin­ drisch geformten und mit einer kegelförmigen Spitze versehenen Außenkapsel sowie aus einem innerhalb dieser Außenkapsel befind­ lichen Nutzlastbehälter, dadurch gekennzeich­ net, daß der Nutzlastbehälter (1) mit der Außenkapsel (2) über eine Kupplung (3) vor der Freifallphase verbunden ist, daß der Nutzlastbehälter (1) von einem Raum (4) umgeben ist, der die Innenwand der Außenkapsel (2) und die Außenwand des Nutzlastbehäl­ ters (1) voneinander trennt, daß eine Kontroll- und Steuerungsein­ heit (5) mit Beschleunigungssensoren und Sensoren (6) zur Ermitt­ lung des Abstandes zwischen der Nutzlastbehälteraußenwand und der Außenkapselinnenwand vorgesehen ist, wobei die Sensoren (6) an der Außenkapselinnenwand plaziert sind, und daß an der stromab­ wärtigen Seite der Außenkapsel (2) stromabwärtsweisende Beschleu­ nigungstriebwerke (7) und senkrecht zur Strömungsrichtung stehende Steuertriebwerke (8) angeordnet sind.

2. Freifallkapsel gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Spitze der Außenkapsel (2) ein Aufpralldämpfer (9) für den Nutzlastbehälter (1) aus Bewe­ gungsenergie absorbierendem Material plaziert ist.

3. Freifallkapsel gemäß den Ansprüchen 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuertriebwerke (8) durch aerodynamisch wirkende und am Zylinderkörper angebrachte Steuerflossen ersetzt sind.

4. Freifallkapsel gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Freifallkapsel über ein Fallschirmsystem (10) verfügt.

5. Freifallkapsel gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Raum (4) evaku­ iert ist.

6. Verfahren zur berührungsfreien Positionierung eines Nutzlastbehälters innerhalb einer Freifallkapsel gemäß den An­ sprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Beschleunigungssensoren die Fallbeschleunigung der Freifallkapsel nach ihren Abwurf messen, daß eine Kontroll- und Steuerungseinheit (5) den Differenzbetrag der gemessenen Fallbeschleunigung zur Erd­ beschleunigung ermittelt, daß die Kontroll- und Steuerungsein­ heit (5) Beschleunigungstriebwerke (7) aktiviert, die die Be­ schleunigung der Freifallkapsel um den Differenzbetrag zwischen der aktuellen Fallbeschleunigung der Freifallkapsel und der Erdbe­ schleunigung erhöhen, daß eine die Außenkapsel (2) und den Nutz­ lastbehälter (1) verbindende Kupplung (3) den Nutzlastbehälter (1) freigibt, wenn die Fallbeschleunigung der Freifallkapsel der Erd­ beschleunigung entspricht, daß Abstandssensoren (6) den Abstand des Nutzlastbehälters (1) von der Innenwand der Außenkapsel (2) überwachen, und daß von außen auf die Freifallkapsel wirkende Störeinflüsse (wie beispielsweise Querbeschleunigungen durch Wind) oder nutzlastspezifische Störbeschleunigungen durch die Kontroll- und Steuerungseinrichtung (5) über die Beschleunigungs- und Ab­ standssensoren (6) erfaßt und mit Hilfe der Beschleunigungstrieb­ werke (7) und/oder der Steuertriebwerke (8) neutralisiert werden.