DE4323510C2 - Zug- und/oder Druckstrebe - Google Patents

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.

Eine derartige Zug- und/oder Druckstrebe ist durch die US-PS 4 481 778 bekannt.

Bei der aus der DE-OS 29 03 787 bekannten Zugstrebe 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 bei geringer Wärmeübertragung eine hohe Streben-Lastfestigkeit erreicht 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.

Der Zugband-Lastpfad besteht 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 7 vorzugsweise einen in Band-Längsrichtung unidirektionalen Faserverlauf und sind gemäß Anspruch 2 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 8 entweder Carbon- oder Glasfaser- Verbundwerkstoffe gewählt.

In besonders bevorzugter Ausgestaltung sind die Faserverbund-Zugbän­ der gemäß Anspruch 3 jeweils in Zugrichtung vorgespannt, um zu vermeiden, daß sich die Zugbänder bei Strebenbelastungen, die ent­ gegengesetzt zu ihrer Lastübertragungsrichtung wirken, lockern und unkontrollierte Schlackerbewegungen durchführen.

Gemäß Anspruch 4 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.

Die im unbelasteten Zustand der Strebe zwischen den Anschlägen wirksame Spaltbreite ist 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 5 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 6 die in entgegengesetzten Lastrichtungen der Strebe wirkenden Anschläge mit unabhängig voneinander veränderlichen Spalt­ weiten versehen.

Schließlich empfiehlt es sich gemäß Anspruch 9 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 (9)

1. Zug- und/oder Druckstrebe geringer Wärmeleitfähigkeit für vorübergehend hohe mechanische Belastungen, insbesondere zur Aufhängung eines Tieftemperaturtanks in einem Außenbehälter, bestehend aus zwischen den Streben- Endstücken in Lastrichtung der Strebe kraftübertragend angeordneten Faserverbund-Zugbändern mit einem Bruchteil der maximalen Strebenlast entsprechend niedrigen, für die Normalbelastung ausgelegten Lastübertragungsquerschnitt sowie einer parallel zu den Faserverbund-Zugbändern oberhalb der Streben- Teillast wirkenden Anschlagverbindung nur für die vorrübergehend hohe Belastung, dadurch gekennzeichnet, daß an den Streben-Endstücken (8, 10) für jede Strebenlastrichtung jeweils mehrere schräg zur Strebenlängsrichtung (A) räumlich versetzt zueinander verlaufende Faserverbund-Zugbänder (12, 14) und als Anschlagverbindung (26, 28) sowohl in Längs- als auch in Querrichtung der Strebe (2) wirkende, bis zur Streben-Teillast berührungsfrei auf Abstand gehaltene Anschlagflächen (26A, B; 28A, B) angeordnet sind.

2. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Zugbänder (12, 14) jeweils aus endseitig über Umlenkbolzen (16, 18) an den Streben-Endstücken (8, 10) befestigten Doppelschalufenelementen bestehen.

3. Zug- und/oder Druckstrebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Zugbänder (12, 14) jeweils in Zugrichtung vorgespannt sind.

4. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die an den Streben-Endstücken (8, 10) befestigten Anschlagflächen (26A, B; 28A, B) jeweils aus paarweise einander zugekehrten, zur Streben- Längsrichtung (A) koaxialen Ringkegelflächen bestehen.

5. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch wechselweise bei einer Zug- und bei einer Druckbelastung der Strebe (2) wirksame Faserverbund-Zugbänder (12, 14) mit jeweils einem einer Streben-Teillast entsprechend niedrigen Gesamtquerschnitt.

6. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spaltweiten zwischen den in Zugrichtung und zwischen den in Druckrichtung der Strebe (2) wirkenden Anschlagflächen (26A, B und 28A, B) unabhängig voneinander veränderlich einstellbar sind.

7. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Zugbänder (12, 14) einen in Band-Längsrichtung unindirektionalen Faserverlauf besitzen.

8. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverbund-Zugbänder (12, 14) aus Carbon- oder Glasfaser- Verbundwerkstoff hergestellt sind.

9. Zug- und/oder Druckstrebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtquerschnitt (F) der jeweils in einer Strebenlastrichtung wirksamen Faserverbund-Zugbänder (12, 14) einer Streben-Teillast von etwa 1 g entspricht.