DE3804202A1 - Gelenk fuer die zweistufige entfaltung eines solarpanels - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gelenk für die Teil- und Vollentfaltung des äußeren Solarpanels eines an einem Raumflugkörper angeordneten, aus meh­ reren Panels gelenkig zusammengesetzten Solargenerators, gemäß dem Ober­ begriff des Patentanspruchs 1.

Solargeneratoren an Raumflugkörpern sind bis zu ihrem Einsatz aus Platz- und Festigkeitsgründen in der Regel paketartig zusammengefaltet, wobei zumindest ein Niederhalter über das äußere Panel den Generator zu­ sammenhält. Im luftleeren Raum ist es oft erforderlich, daß zunächst nur ein Teil der maximal erzeugbaren Solarenergie zur Verfügung steht. In solchen Fällen ist es üblich, zunächst nur das äußere Panel um ca. 90° teilzuentfalten und auf die Sonne auszurichten. Bei voller Inbetriebnah­ me wird das äußere Panel um weitere 90° vollständig entfaltet, die bis dahin noch unwirksamen, inneren Panels werden dabei relativ zueinander um ca. 180° in einem Schritt vollständig entfaltet. Zur Synchronisierung der Panel-Bewegungen, mit Ausnahme des teilentfaltbaren Panels, wird oft das Prinzip der geschlossenen Seilschleife (CCL) angewendet, welches bei ausreichender Reibung wie ein formschlüssiges Getriebe wirkt. Dieses Prinzip wird beispielsweise bei dem Solargenerator verwendet, welcher in dem Aufsatz "The Retractable Ultra-lightweight (ULP) Solar Array for Re­ trievable Space Platforms" der englischen Zeitschrift "Aircraft Enginee­ ring" vom Januar 1984 auf den Seiten 2 bis 5 beschrieben ist. Bei diesem Generator werden weitere Seile für den Antrieb der Panels benutzt.

Aus der DE-OS 36 15 264 ist eine Vorrichtung für die Teil- und Vollent­ faltung eines Solargeneratorflügels bekannt, welche konstruktiv beson­ ders einfach ist und ohne bewegliche Teile auskommt. Es sind voneinander unabhängige Primär- bzw. Sekundär-Niederhalter vorhanden, welche die se­ lektive Freigabe des äußeren bzw. inneren Flügelabschnittes ermöglichen. Das innerste Panel des äußeren Flügelabschnittes wird beispielsweise durch vorgespannte Federn entfaltet und liegt im teilentfalteten Zustand einseitig an einem mechanischen Anschlag an. Beim Öffnen der Sekundär- Niederhalter, d.h. beim Entfalten des inneren Flügelabschnittes, kommt das teilentfaltete Panel von dem Anschlag frei und wird gegen einen wei­ teren, nicht beschriebenen Anschlag vollständig entfaltet. Nachteilig dabei ist, daß - im Falle der Entfaltung durch elastische Kraftspeicher - die Bewegungen des äußeren Flügelabschnittes bei Teil- und Vollentfal­ tung ungesteuert sind. Die jeweils einseitige Wirkung der Anschläge hat zur Folge, daß der äußere Flügelabschnitt ein- oder mehrmals zurück­ prallt, bis er in seiner gewünschten Position stehenbleibt. Dies kann zu äußerst kritischen Belastungen der gesamten Generatorstruktur führen. Auch bei Korrekturbewegungen des Satelliten kann es zu ungewollten Schwenkbewegungen des äußeren Flügelabschnittes kommen. Aus der DE-PS 32 15 434 ist ein Riegelmechanismus bekannt, welcher eine formschlüssige Verbindung zwischen benachbarten Panels im vollständig entfalteten Zu­ stand herstellt und damit ein Zurückprallen verhindert. Als Verriege­ lungselement wird ein federbelasteter Hebel bzw. eine Biegefeder verwen­ det. Eine stufenweise Entfaltung ist mit diesem Mechanismus nicht mög­ lich, da die Verriegelung ohne zusätzliche Betätigungsorgane nicht ge­ löst werden kann.

Der vorliegenden Erfindung liegt angesichts des Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, ein Gelenk für die Teil- und Vollentfaltung des äuße­ ren Panels eines aus mehreren Panels zusammengesetzten Solargenerators bereitzustellen, welches im teil- und vollentfalteten Zustand eine si­ chere, formschlüssige Verriegelung gewährleistet und beim Übergang vom teilentfalteten in den vollentfalteten Zustand eine Ankoppelung des äu­ ßeren Panels an die CCL-Steuerung bewirkt.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merk­ male gelöst.

Das Gelenk arbeitet mit zwei unabhängigen Verriegelungselementen, von denen das eine primär der Verriegelung im vollentfalteten Zustand, das andere primär der Koppelung mit der Seilsteuerung dient. Beide Verriege­ lungselemente wirken bei der Verriegelung im teilentfalteten Zustand zu­ sammen, wobei jedes die Bewegung in eine Richtung begrenzt.

Die Unteransprüche 2 und 3 kennzeichnen bevorzugte Ausführungen des Ge­ lenkes nach Anspruch 1.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert. Dabei zeigen in verein­ fachter Darstellung:

Fig. 1 einen Schnitt rechtwinklig zur Gelenkachse durch das die Gelenk­ hälften verbindende Kugelgelenk,

Fig. 2 einen Schnitt gemäß dem Verlauf B-B in Fig. 1.

Die Gelenkhälften 2, 3 des Gelenkes 1 in Fig. 1 und 2 sind über ein Ku­ gelgelenk 6 miteinander verbunden (3 Freiheitsgrade, Drehbewegungen um alle Achsen eines orthogonalen Koordinatensystems). Um nun zwischen dem äußeren Panel 36 und dem nächstinneren - nicht dargestellten - Panel eine definierte Schwenkachse (ein Freiheitsgrad, Drehbewegung um eine Achse) festzulegen, ist es erforderlich, in axialem Abstand zum dargestellten Gelenk 1 mindestens ein weiteres Kugelgelenk anzuordnen, welches aller­ dings weder einen Verriegelungsmechanismus noch eine Seilsteuerung auf­ weisen muß. Die Kugelgelenkbauweise hat den Vorteil, daß sich Zwangs­ kräfte auf die zu verbindenden Strukturen infolge von Fertigungs- bzw. Montagefehlern, Verformungen etc. weitgehend vermeiden lassen, insbeson­ dere bei statisch bestimmter Lagerung (1 Fest- , 1 Loslager).

Die Fig. 1 und 2 zeigen den teilentfalteten Zustand des äußeren Pa­ nels 36, d.h., die Gelenkhälften 2, 3 bilden etwa einen rechten Winkel (siehe Fig. 1). Um den dargestellten Zustand zu erreichen, ist es erfor­ derlich, daß das ursprünglich auf den übrigen inneren Panels des Solar­ generators flach aufliegende, äußere Panel 36 von dem oder den Primär- Niederhaltern freigegeben und mittels elastischer Kraftspeicher oder Mo­ torkraft in die teilentfaltete Stellung verschwenkt wird. Vorzugsweise erfolgt diese Teilentfaltung durch Federn in den Verbindungsgelenken, z.B. im Gelenk 1 (Feder nicht dargestellt). Die Seilsteuerung (CCL) tritt hierbei noch nicht in Aktion. Die Verriegelung im teilentfalteten Zustand erfolgt mittels zweier Elemente, nämlich des Verriegelungshebels 7 und des Verriegelungsbolzens 14. Der Verriegelungshebel 7 ist um eine Achse verschwenkbar, welche aus Gründen der Einstellbarkeit als Exzen­ terbolzen 9 ausgeführt ist. Das Einstellen erfolgt durch Verdrehen des Exzenterbolzens 9 relativ zur Gelenkhälfte 2 am Vierkantkopf 10. Bei korrekter Stellung (spielfreie Verriegelung) wird der Exzenterbolzen 9 durch Anziehen der Mutter 11 über die Scheibe 12 drehfest gegen die Ge­ lenkhälfte 2 gespannt. Aus Fertigungsgründen (gleiche Bohrungsdurchmes­ ser) ist der Exzenterbolzen 9 am kleinen Durchmesser in einer Buchse 13 gelagert. Der Verriegelungshebel 7 besitzt als Wirkelement einen zylin­ drischen Bolzen 8 und ist z.B. mit einer Feder (nicht dargestellt) in Richtung zur Gelenkachse vorgespannt. Diese Federbelastung ist in Fig. 1 in Form des Momentenpfeiles M symbolisch dargestellt. Der Verriege­ lungsbolzen 14 besitzt einen Kopf 15 mit Anschlagschulter 16 sowie einen im Durchmesser kleineren Schaft 17. Er ist in der Gelenkhälfte 2 sowie in dem mit der Gelenkhälfte fest verbundenen Scheibenträger 5 längsver­ schieblich gelagert und mittels der Feder 18 zur Seilscheibe 4 hin vor­ gespannt. Die Krafteinleitung von der Feder 18 in den Schaft 17 erfolgt über eine Scheibe 19 und einen Sicherungsring 20. Im zusammengefalteten Zustand der Panels sowie beim Übergang in den teilentfalteten Zustand befindet sich der Verriegelungsbolzen 14 in einer unwirksamen Stellung, sein Schaft bewegt sich im Langloch 27 der Gelenkhälfte 3, sein Kopf 15 wird an der Anschlagschulter 16 zurückgehalten und gleitet dabei auf der Fläche 28 beiderseits des Langloches 27. Die Feder 18 ist dabei maximal vorgespannt. Beim Erreichen der teilentfalteten Stellung fällt der Bol­ zenkopf 15 in die Bohrung 26 der Gelenkhälfte 3, das ballige Schaftende stößt gegen die Anschlagfläche 35 der Seilscheibe 4. Somit verhindert der Bolzenkopf 15 im Zusammenwirken mit der Bohrung 26, in welcher er einseitig anliegt, ein weiteres Entfalten. Der Bolzen 8 des Verriege­ lungshebels 7 gleitet beim Übergang in die teilentfaltete Stellung auf der zylindrischen Gleitbahn 24 und fällt vor die als Stufe ausgebildete Anschlagfläche 21. Auf diese Weise wird ein Zurückprallen der Gelenk­ hälfte 2 mit dem äußeren Panel 36 verhindert (Rückschlagsperre). Die Po­ sitionen 8, 21, 15 und 26 bilden also eine in beide Schwenkrichtungen formschlüssige Verriegelung, welche sich mittels des Exzenterbolzens 9 spielfrei einstellen läßt.

Für die weitere Entfaltung ist es erforderlich, daß die noch zusammenge­ falteten, inneren Panels von dem oder den Sekundärniederhaltern freige­ geben und mit Hilfe eines Antriebes in Bewegung versetzt werden. Dadurch tritt auch die Seilsteuerung (CCL) in Aktion, deren äußerstes Element die Seilscheibe 4 am Gelenk 1 ist. Die Seilscheibe 4 ist auf dem Schei­ benträger 5 drehbar gelagert, welcher zugleich einen einseitigen, axia­ len Anschlag bildet. Den entsprechenden Gegenanschlag bildet die Scheibe 32. Mittels des Achsbolzens 30, der Distanzbuchse 33, der Distanzscheibe 34, der Mutter 31 sowie der Verschraubung in Form des Exzenterbolzens 9 ist die Seilscheibenlagerung mit der Gelenkhälfte 2 einschließlich der Kugel des Kugelgelenkes 6 zu einer starren Einheit verbunden.

Beim Entfalten der inneren Panels wird die Seilscheibe 4 relativ zum teilentfalteten Gelenk 1 um den Vorlaufwinkel α verdreht, bis die Boh­ rung 29 in der Seilscheibe 4 mit dem Schaft 17 des Verriegelungsbolzens 14 fluchtet. Durch die immer noch vorgespannte Feder 18 wird der Schaft 17 in die minimal größere Bohrung 29 geschoben, wobei der Bolzenkopf 15 aus der Bohrung 26 der Gelenkhälfte 3 freikommt. Dadurch wird die Ge­ lenkhälfte 2 formschlüssig mit der Seilscheibe 4 verbunden, die Vollent­ faltung des äußeren Panels 36 erfolgt also kontrolliert über die Seil­ steuerung. Der Bolzen 8 des Verriegelungshebels 7 bewegt sich dabei auf der zylindrischen Gleitbahn 25 und fällt im vollentfalteten Zustand - federbelastet - zwischen die Anschlagflächen 22 und 23. Auf diese Wei­ se wird das Gelenk 1 im vollentfalteten, gestreckten Zustand wiederum formschlüssig verriegelt.

Der wirksame Durchmesser der Seilscheibe 4 ist auf denjenigen der mit ihr verbundenen, an einem inneren Panel angeordneten Seilscheibe so ab­ gestimmt, daß die relative Vollentfaltung von ca. 180° eine Winkeldre­ hung der Seilscheibe 4 von ca. 90° (Winkel von Teil- bis Vollentfaltung) plus des Vorlaufwinkels α bewirkt, wobei α beispielsweise ca. 20° beträgt.

Claims (3)

1. Gelenk für die Teil- und Vollentfaltung des äußeren Solarpanels eines an einem Raumflugkörper angeordneten, aus mehreren Panels gelenkig zusammengesetzten Solargenerators, dessen Entfaltung durch Seile (CCL= Closed Cable Loop) zwangsgesteuert wird, wobei das äußere Panel vor dem Entfalten von Primär-Niederhaltern, die übrigen, inneren Panels im teil­ entfalteten Zustand des äußeren Panels von mindestens einem Sekundär- Niederhalter festgehalten werden, mit einer - mit dem äußeren Panel ver­ bundenen - ersten Gelenkhälfte, mit einer - mit dem nächstinneren Panel verbundenen - zweiten Gelenkhälfte, mit einer die Gelenkhälften schwenk­ bar verbindenden Achse sowie mit einer auf der Achse drehbar gelagerten Seilscheibe, dadurch gekennzeichnet,
daß in der ersten Gelenkhälfte (2) zwei federnde bzw. federbelastete Verriegelungselemente (Verriegelungshebel 7, Verriegelungsbolzen 14) ge­ lagert sind,
daß die zweite Gelenkhälfte (3) mehrere Anschlagflächen (21, 22, 23, Bohrung 26) aufweist, wovon eine (21) dem Anschlagteil (Bolzen 8) des ersten Verriegelungselementes (Verriegelungshebel 7) im teilentfalteten Zustand rückseitig gegenübersteht (Rückschlagsperre), wovon zwei (22, 23) das Anschlagteil (Bolzen 8) im vollentfalteten Zustand formschlüssig festhalten, und wovon eine (Bohrung 26) im teilentfalten Zustand das zweite Verriegelungselement (Verriegelungsbolzen 14) in Entfaltungsrich­ tung blockiert,
daß die zweite Gelenkhälfte (3) eine Fläche (28) besitzt, welche dieses Verriegelungselement bis zum Erreichen des teilentfalteten Zustandes in einer unwirksamen Stellung hält,
daß die Seilscheibe (4) eine Anschlagfläche (35) für das zweite Verrie­ gelungselement (Verriegelungsbolzen 14) im teilentfalteten Zustand auf­ weist,
daß die Seilscheibe (4) mit einer Aussparung (Bohrung 29) versehen ist, welche dieses Verriegelungselement (Verriegelungsbolzen 14) beim Über­ gang vom teilentfalteten zum vollentfalteten Zustand sowie danach form­ schlüssig aufnimmt, und
daß sie bezüglich der mit ihr verbundenen Seilscheibe ein Durchmesser­ verhältnis aufweist, welches bei Vollentfaltung der inneren Panels (180°) eine Winkeldrehung der Seilscheibe (4) bewirkt, welche um einen Vorlaufwinkel (α) größer ist, als der Drehwinkel des äußeren Panels (36) von Teil- bis Vollentfaltung.

2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Verriegelungselement als verschwenkbarer Verriegelungshe­ bel (7) mit zur Gelenkachse (Achsbolzen 30) paralleler Schwenkachse (Ex­ zenterbolzen 9) und mit einem zylindrischen Bolzen (8) als Anschlagteil ausgeführt ist, wobei die Federbelastung (Moment M) den Verriegelungshe­ bel (7) zur Gelenkachse hin vorspannt,
daß das zweite Verriegelungselement als achsparalleler, längsverschieb­ licher Verriegelungsbolzen (14) mit einer Anschlagschulter (16) am Bol­ zenkopf (15) ausgeführt ist, welchen die Federbelastung (Feder 18) zur Seilscheibe (4) hin vorspannt,
daß die Anschlagflächen (21, 22, 23) für den Bolzen (8) axial und etwa radial ausgerichtet und in ihrer Kontur an die Form und die Schwenkbewe­ gung des Bolzens (8) angepaßt sind, wobei der Bolzen (8) vor der An­ schlagfläche (21) und zwischen den Anschlagflächen (21, 22) von zylin­ drischen Gleitbahnen (24, 25) radial gestützt wird,
daß die seitliche Anschlagfläche für den Kopf (15) des Verriegelungsbol­ zen (14) als diesem gegenüber geringfügig größere Bohrung (26) ausge­ führt ist,
daß die Bohrung (26) das eine Ende eines Langloches (27) bildet, in wel­ chem sich der Schaft (17) des Verriegelungsbolzens (14) bei Teilentfal­ tung bewegt,
und daß die Aussparung in der Seilscheibe (4) für den Verriegelungsbol­ zen (14) als gegenüber seinem Schaftdurchmesser geringfügig größere Boh­ rung (29) ausgeführt ist.

3. Gelenk nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Schwenkachse des Verriegelungshebels (7) als Exzenterbolzen (9) ausgeführt und bezüglich der ersten Gelenkhälfte (2) verdrehbar (Vier­ kantkopf 10) und feststellbar (Mutter 11) ist, und
daß die Gelenkhälften (2, 3) über ein Kugelgelenk (6) verbunden sind.