DE4323510A1 - Zug- und/oder Druckstrebe - Google Patents
Zug- und/oder DruckstrebeInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Zug- und/oder Druckstrebe gerin
ger Wärmeleitfähigkeit für vorübergehend hohe mechanische Belastun
gen, insbesondere zur Aufhängung eines Tieftemperaturtanks in einem
Außenbehälter, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei der aus der DE-OS 29 03 787 bekannten Zugstrebe dieser Art zur
Verankerung eines Tieftemperaturtanks für kryogene Flüssigkeiten an
Bord eines Raumfahrzeuges sind die kraftübertragend zwischen den
Strebenendstücken angeordneten Zugbänder mit einer möglichst großen
Baulänge aus langfaserverstärktem Verbundwerkstoff hergestellt, um
die hohe Festigkeit und geringe Wärmeleitfähigkeit dieses Werkstoffs
für eine sichere, thermisch verlustarme Tankaufhängung zu nutzen.
Dabei liegen die auftretenden Strebenlasten vor dem Start des Raum
fahrzeuges relativ niedrig, nämlich im wesentlichen in Höhe der ein
fachen Erdbeschleunigung mal der Eigenmasse des Tanks und seiner
Füllung, und gehen im Orbit theoretisch sogar auf Null zurück, wäh
rend in der Startphase unter Berücksichtigung der dann wirksamen
hohen Beschleunigungen von 15 g oder mehr kurzzeitig sehr hohe Stre
benlasten erreicht werden. Dementsprechend groß sind die hierfür
erforderlichen Lastübertragungsquerschnitte der Faserverbund-Bänder
und damit auch ihr Wärmeleitquerschnitt, mit der Folge, daß im Laufe
der von mehreren Wochen bis zu Jahren dauernden Einsatzzeit des
Raumfahrzeugs ein erheblicher Anteil des gesamten kryogenen Flüssig
keitsvorrats über die als Wärmebrücke wirkende Zugstrebe ungenutzt
verloren geht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zug- und/oder Druckstrebe der
eingangs genannten Art so auszubilden, daß die in einem längeren
Zeitraum über die Strebe geleitete Wärmemenge auf baulich einfache
Weise und unter Beibehalt einer hohen Streben-Lastfestigkeit deut
lich reduziert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1
gekennzeichnete Zug- und/oder Druckstrebe gelöst.
Erfindungsgemäß wird aufgrund der besonderen Strebengestaltung mit
mehreren, seriell wirkenden, einerseits durch die Faserverbund-Zug
bänder und andererseits durch die Anschläge gebildeten Lastpfaden
der Wärmeleitwiderstand der Strebe in der Weise an die momentanen
Strebenlasten angepaßt, daß in den Phasen niedriger Strebenbelastung
als Folge des vergleichsweise geringen Gesamtquerschnitts des dann
ausschließlich wirksamen Zugband-Lastpfades ein hoher Wärmeleitwi
derstand erzielt wird und nur im oberen Strebenlastbereich
durch Zuschaltung des durch die Anschläge gebildeten Lastpfades ein
entsprechend erhöhter Lastübertragungs- und damit Wärmeleitquer
schnitt zur Wirkung kommt, wodurch der durchschnittlich über die
Strebe im Laufe der Einsatzzeit geleitete Wärmestrom deutlich ver
ringert wird, mit dem zusätzlichen Effekt, daß das lastabhängige Zu-
und Abschalten des durch die Anschläge gebildeten Lastpfades auf
baulich sehr einfache Weise selbsttätig nach Maßgabe der Längendeh
nung der Faserverbund-Zugbänder bei Erreichen einer vorgegebenen
Streben-Teillast erfolgt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung besteht der
Zugband-Lastpfad gemäß Anspruch 2 aus Gründen einer Stabilisierung
der Strebe gegen nicht exakt in Strebenlängsrichtung wirksame Bela
stungen vorzugsweise aus mehreren, schräg zur Strebenlängsrichtung
räumlich versetzt zueinander verlaufenden Faserverbund-Zugbändern.
Im Hinblick auf einen last- und werkstoffgerechten Faserlagenaufbau
besitzen die Faserverbund-Zugbänder gemäß Anspruch 3 vorzugsweise
einen in Band-Längsrichtung unidirektionalen Faserverlauf und sind
gemäß Anspruch 4 als Doppel-Schlaufenelemente ausgebildet, die auf
baulich einfache Weise endseitig über Umlenkbolzen an den Streben-
Endstücken befestigt sind. Als Fasermaterial für die Faserverbund-
Zugbänder werden je nach dem am kälteren Zugbandende vorhandenen
Temperaturniveau gemäß Anspruch 5 entweder Carbon- oder Glasfaser-
Verbundwerkstoffe gewählt.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die Faserverbund-Zugbän
der gemäß Anspruch 6 jeweils in Zugrichtung vorgespannt, wobei die
Vorspannung gemäß Anspruch 7 vorzugsweise einstellbar ist, um zu
vermeiden, daß sich die Zugbänder bei Strebenbelastungen, die ent
gegengesetzt zu ihrer Lastübertragungsrichtung wirken, lockern und
unkontrollierte Schlackerbewegungen durchführen.
Gemäß Anspruch 8 bestehen die zwischen den Strebenenden angeordneten
Anschläge zweckmäßigerweise aus bezüglich der Strebenlängsrichtung
ringkegelförmigen, paarweise einander zugekehrten Anschlagflächen;
durch die Ringkegelform der Anschlagflächen wird die Stabilisierung
der Strebe gegen azentrische Krafteinwirkungen im oberen Streben
lastbereich verbessert.
Nach Anspruch 9 ist die im unbelasteten Zustand der Strebe zwischen
den Anschlägen wirksame Spaltbreite vorzugsweise veränderlich ein
stellbar, um die Streben-Teillast, bei der der zweite, durch die
Anschläge gebildete Lastpfad anspricht, auf baulich einfache Weise
auf einen erwünschten Wert festlegen zu können.
Zweckmäßigerweise ist die Strebe nach Anspruch 10 dadurch sowohl
zug- als auch druckkraftübertragend ausgebildet, daß wechselweise je
nach Strebenlastrichtung wirksame Faserverbund-Zugbänder mit jeweils
einer Streben-Teillast entsprechend niedrigem Gesamtquerschnitt vor
gesehen sind. Um die Streben-Teillast in Druck- und in Zugrichtung
auf unterschiedliche Werte einstellen zu können, sind vorzugsweise
gemäß Anspruch 11 die in entgegengesetzten Lastrichtungen der Strebe
wirkenden Anschläge mit unabhängig voneinander veränderlichen Spalt
weiten versehen.
Schließlich empfiehlt es sich gemäß Anspruch 12 für den bevorzugten
Anwendungsfall einer Tieftemperaturtank-Aufhängung an Bord eines
Raumfahrzeuges mit beschleunigungsabhängigen Strebenbelastungen von
kurzzeitig etwa 15 g, den Lastübertragungsquerschnitt der Faserver
bund-Zugänder entsprechend einer Streben-Teillast von etwa 1 g zu
bemessen, wodurch eine besonders wirksame Reduzierung der über die
Strebe geleiteten Wärmemenge während der bis zu Jahre reichenden
Lebensdauer des Raumfahrzeuges erzielt wird.
Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in
Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen in stark
schematisierter Darstellung:
Fig. 1 eine Zug- und Druckstrebe im Längsschnitt;
Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1; und
Fig. 3 die Ansicht eines der jeweils als Doppelschlaufe aus
gebildeten Faserverbund-Zugbänder.
In den Fig. ist eine von mehreren baugleichen Zug- und Druckstreben
2 gezeigt, über die ein in Fig. 1 ausschnittsweise angedeuteter
Tieftemperaturtank 4 für eine kryogene Flüssigkeit, z. B. Helium, in
allen sechs Freiheitsgraden lagestabil und mit hohem Wärmeleitwider
stand an der in Fig. 1 ebenfalls ausschnittsweise angedeuteten Trag
struktur 6 eines Raumfahrzeuges aufgehängt ist.
Jede Strebe 2 enthält zwei rohrförmige, koaxial zueinander mit ra
dialem Zwischenraum ineinandergreifende, einerseits am Tieftempera
turtank 4 und andererseits an der Tragstruktur 6 befestigte End
stücke 8, 10 aus Faserverbundwerkstoff, die jeweils in Druckrichtung
der Strebe 2 durch mehrere, etwa vier, in Umfangsrichtung gleichför
mig versetzte Faserverbund-Zugbänder 12 und in Zugrichtung der Stre
be 2 ebenfalls durch mehrere, etwa vier, gleichförmig in Umfangs
richtung versetzte Faserverbund-Zugbänder 14 lastübertragend mitein
ander verkoppelt sind. Zur Querkraftstabilisierung der Strebe 2 sind
die Zugbänder 12 und 14 unter einem Winkel von 30° schräg zur Stre
ben-Längsachse A-A geneigt und im Hinblick auf einen hohen Wärme
leitwiderstand ist die Länge der Zugbänder 12 und 14 so groß wie aus
Platzgründen möglich bemessen.
Wie Fig. 3 im einzelnen zeigt, ist jedes Zugband 12, 14 als schlau
fenförmiges Faserverbundelement mit der Querschnittsfläche F ausge
bildet und über Umlenkbolzen 16, 18 am Endstück 8 bzw. 10 verankert.
Das Fasermaterial für die Zugbänder 12, 14 besteht - je nach dem
Temperaturniveau des Tieftemperaturtanks 4 - aus Carbon- oder Glas
faser-Verbundwerkstoff und besitzt eine in Schlaufenrichtung unidi
rektionale Faserorientierung, wie dies in Fig. 3 durch die Doppel
pfeile angedeutet ist. Um zu verhindern, daß die unter der Wirkung
einer äußeren Strebenlast jeweils zugkraftentlasteten Faserverbund
bänder 12, 14 unkontrollierte Schlackerbewegungen ausführen, sind
die Faserverbundbänder 12 und 14 dadurch einstellbar vorgespannt,
daß das innere Endstück 8 aus zwei, über ein Mittelstück 20 gegen
sinnig miteinander verschraubten Rohrstücken 22, 24 besteht. Die
Vorspannung wird so groß gewählt, daß auch die durch eine Zug- oder
eine Druckaufschlagung der Strebe 2 entlasteten Zugbänder 12 bzw.
14 gerade noch gespannt bleiben.
Die Lastaufnahme der Faserverbundbänder 12 in Druck- und der Faser
verbundbänder 14 in Zugrichtung der Strebe 2 wird jeweils durch An
schläge 26, 28 auf eine vorgegebene Streben-Teillast begrenzt, wel
che bei einer der Streben-Teillast entsprechenden Längendehnung der
Bänder 12, 14 wirksam werden und jeweils aus einander zugekehrten,
ringkegelförmigen Anschlagflächenpaaren 26A,B bzw. 28A,B beste
hen, von denen die Anschlagflächen 26A und 28A an einem mit dem
Endstück 10 verschraubten Anschlagring 30, die Anschlagfläche 26B
am Mittelstück 20 und die Anschlagfläche 28B an einer mit diesem
verschraubten Anschlaghülse 32 ausgebildet ist. Die Teile 20, 30 und
32 sind zumindest im Bereich der Anschlagflächen 26 und 28 hartme
tallplattiert und können im übrigen aus Faserverbundwerkstoff herge
stellt sein. Die Spaltweiten zwischen den Anschlagflächen 26 bzw. 28
im entlasteten Zustand der Strebe 2 lassen sich durch Änderung der
Axialposition des Anschlagringes 30 und der Anschlaghülse 32 unab
hängig voneinander auf einen erwünschten Wert einstellen.
Strebenlasten bis hin zur vorgegebenen Streben-Teillast werden aus
schließlich über den ersten, durch die Faserverbund-Zugbänder 12
bzw. 14 gebildeten Lastpfad übertragen. Dementsprechend niedrig ist
der gesamte Lastübertragungs- und damit auch Wärmeleitquerschnitt
sämtlicher, jeweils in einer Lastrichtung der Strebe 2 wirksamen
Zugbänder 12 bzw. 14 bemessen, so daß die Strebe 2 im unteren Last
bereich einen sehr hohen Wärmeleitwiderstand besitzt. Durch Zuschal
ten des zweiten, durch die Anschläge 26 bzw. 28 gebildeten, parallel
zu dem Zugband-Lastpfad wirkenden Lastpfades erhöht sich der Last
übertragungsquerschnitt der Strebe 2 auf den zur Übertragung der
maximalen Strebenbelastung erforderlichen Wert. Die dadurch lastbe
dingt verursachte Verringerung des Wärmeleitwiderstandes der Strebe
2 ist jedoch nur in den Lastphasen oberhalb der vorgegebenen Teil
lastgrenze wirksam. Infolge des auf diese Weise lastabhängig variab
len Wärmeleitwiderstands der Strebe 2 wird der im zeitlichen Durch
schnitt über die Strebe 2 geleitete Wärmestrom - bei entsprechender
Abstimmung der beiden Lastpfade - maßgeblich durch den vergleichs
weise hohen Wärmeleitwiderstand des Zugband-Lastpfades bestimmt. In
dem bevorzugten Anwendungsfall einer Tieftemperaturtank-Aufhängung
an Bord eines Raumfahrzeuges wird die Strebe 2 so ausgelegt, daß bis
zur Höhe der Ruhemasse des gefüllten Tieftemperaturtanks, also un
ter der Wirkung der einfachen Erdbeschleunigung und im Orbit, aus
schließlich der erste, durch die Zugbänder 12, 14 gebildete Lastpfad
wirksam ist und der Anschlag-Lastpfad nur kurzzeitig vor allem beim
Start, wo Beschleunigungen von 15 g und mehr erreicht werden, zuge
schaltet wird. Im Vergleich zu der Wochen bis Jahre währenden Le
benszeit eines Raumfahrzeuges fällt die durch Zuschalten des An
schlag-Lastpfades in der Startphase bewirkte Verringerung des Wärme
leitwiderstandes der Strebe 2 kaum ins Gewicht.
Gewünschtenfalls können die Zugbänder 12 und 14 sowie die Spaltwei
ten der Anschläge 26 und 28 auch unterschiedlich dimensioniert wer
den, so daß die Strebe 2 in Zugrichtung eine andere Teillast-An
sprechgrenze als in Druckrichtung besitzt.
Claims (12)
1. Zug- und/oder Druckstrebe geringer Wärmeleitfähigkeit für vor
übergehend hohe mechanische Belastungen, insbesondere zur Auf
hängung eines Tieftemperaturtanks in einem Außenbehälter, mit
einem oder mehreren, in Lastrichtung der Strebe kraftübertra
gend zwischen den Strebenenden angeordneten Faserverbund-Zug
bändern,
dadurch gekennzeichnet, daß
die jeweils in einer Lastrichtung der Strebe (2) wirksamen Fa
serverbund-Zugbänder (12 bzw. 14) insgesamt einen einem Bruch
teil der maximalen Strebenlast entsprechend niedrigen Lastüber
tragungsquerschnitt (F) besitzen und zwischen den Strebenenden
parallel zu den Faserverbund-Zugbändern oberhalb der Streben-
Teillast wirkende Anschläge (26, 28) vorgesehen sind.
2. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
für jede Strebenlastrichtung mehrere, schräg zur Streben-Längs
richtung (A) räumlich versetzt zueinander verlaufende Faserver
bund-Zugbänder (12 bzw. 14) vorgesehen sind.
3. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Faserverbund-Zugbänder (12 bzw. 14) einen in Band-Längs
richtung unidirektionalen Faserverlauf besitzen.
4. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Faserverbund-Zugbänder (12 bzw. 14) jeweils aus endseitig
über Umlenkbolzen (16, 18) an den Strebenendstücken (8, 10)
befestigten Doppelschlaufenelementen bestehen.
5. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Faserverbund-Zugbänder (12 bzw. 14) aus Garbon- oder Glas
faser-Verbundwerkstoff hergestellt sind.
6. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Faserverbund-Zugbänder (12 bzw. 14) jeweils in Zugrichtung
vorgespannt sind.
7. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Vorspannung der Faserverbund-Zugbänder (12 bzw. 14) verän
derlich einstellbar ist.
8. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zwischen den Strebenenden angeordneten Anschläge (26, 28)
aus bezüglich der Streben-Längsrichtung ringkegelförmigen,
paarweise einander zugekehrten Anschlagflächen (26A,B und 28
A,B) bestehen.
9. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
dadurch gekennzeichnet, daß
die im unbelasteten Zustand der Strebe (2) zwischen den An
schlägen (26, 28) wirksame Spaltweite veränderlich einstellbar
ist.
10. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü
che,
gekennzeichnet durch
wechselweise bei einer Zug- und bei einer Druckbelastung wirk
same Faserverbund-Zugbänder (12 und 14) mit jeweils einem einer
Streben-Teillast entsprechend niedrigen Gesamtquerschnitt.
11. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Spaltweiten der in Zugrichtung und der in Druckrichtung
wirkenden Anschläge (26 und 28) unabhängig voneinander veränder
lich einstellbar sind.
12. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü
che, mit beschleunigungsabhängigen Strebenbelastungen von kurz
zeitig etwa 15 g,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Lastübertragungsquerschnitt (F) der jeweils in einer Stre
benlastrichtung wirksamen Faserverbund-Zugbänder (12 bzw. 14)
einer Streben-Teillast von etwa 1 g entspricht.
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