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Die
folgende Erfindung betrifft energiefokussierende Oberflächen, beispielsweise
Hochfrequenzantennen, Solarkonzentratoren und ähnliches und betrifft insbesondere
einen kompakt verstaubaren Antennenreflektor, der aus einem dünnen durchgängig laminierten
Material aufgebaut ist, das Radial- und Umfangs-Versteifungsabschnitte
oder -Versteifungen enthält.
Die Dünne
des Laminats und der Versteifungen ermöglicht es, daß der Reflektor
in eine kompakte Form gefaltet werden kann, wodurch die Verstauung
in ein beschränktes
Volumen an Bord eines Raumfahrzeugs, beispielsweise des Space Shuttles,
vereinfacht wird, wobei ferner der Reflektor zu einer vorbeschriebenen
energiefokussierenden Oberflächengeometrie
auseinandergefaltet werden und dieser entsprechen kann.
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Das
Gebiet der faltbaren Plattformen, beispielsweise räumlich auseinandergefaltete
energierichtende bzw. -leitende Strukturen, einschließlich Hochfrequenzantennen,
Solarkonzentratoren, und ähnliches
hat sich im letzten Jahrzehnt wesentlich fortentwickelt. Gegenstände, die
früher
schwierig zu bewerkstelligen waren, wurden von kommerziellen Unternehmen
zu einer Anzahl praktischer Anwendungen entwickelt. Ein wesentlicher
Aspekt dieser Entwicklung war das verläßliche Entfalten einer Vielzahl
von Raumfahrzeug-gestützten
Antennensystemen, ähnlich
denen, die für
die Datensammlungs- und Relais-Satelliten (Tracking Data and Relay
Satellites, TDRS) der NASA entwickelt wurden. Tatsächlich hat
sich die kommerzielle Raumfahrzeug-bezogene Produktion auf militärische und
zivile Anwendungen erweitert, so daß momentan der Bedarf an strukturellen
Systemen mit nachgewiesener Verläßlichkeit
und Leistungsfähigkeit
besteht, sowie die schon immer bestehende Anforderung der „reduzierten
Kosten". Die Aufgabe
für eine
typische auseinanderfaltbare Weltraumantenne ist es, eine verläßliche Hochfrequenzenergiereflektion
zu einem Energiekollektor (Speisung) hin vorzusehen, der in dem
Fokussierpunkt der energiesammelnden Oberfläche, die eine vorgeschriebene
Geometrie (beispielsweise parabolisch) aufweist, angeordnet ist.
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Der
momentane Stand bei der Konstruktion parabolischer Weltraumantennen
besteht im wesentlichen in einem Ansatz, der als segmentierter Konstruktionsansatz
bezeichnet werden kann, der einem Regenschirm ähnelt, wie in den 1 bis 4 in der Übersicht
schematisch dargestellt ist. Bei diesem Antennentyp sind eine Vielzahl
bogenförmiger
Segmente 1 mit einem zentralen Träger (Hub) 3 verbunden,
der eine Antennenspeisung hält.
Ein mechanisch weiterentwickelter linearer Aktuator (nicht dargestellt)
wird verwendet, um die Segmente 1 von ihrem verstauten
oder zusammengeklappten Zustand, wie es in den Seiten- und Endansichten
der 1 und 2 dargestellt ist, in eine verriegelte, überstreckte
Position zu fahren, um eine Hochfrequenzreflektoroberfläche 7 auseinanderzufalten,
wie es in den Seiten- und Endansichten der 3 und 4 dargestellt
ist.
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Die
hauptsächlichen
Nachteile dieses Antennensystemtyps umfassen die Hardwarekomplexität des Antennenreflektors,
seinen zu betätigenden
Entfaltungsmechanismus und das beträchtliche Stauvolumen, das mit
dieser Struktur verknüpft
ist. Daher wurden neue Ansätze
auseinanderfaltbarer Antennenstrukturen verfolgt. Das Interesse
der Industrie an diesen neuen Ansätzen fußt auf der Voraussetzung, daß die Verstauungs-Packdichte
für auseinanderfaltbare
Antennen wesentlich erhöht
werden kann, während
die Verläßlichkeit
im auseinandergefalteten Zustand beibehalten bleibt, auf die die
Raumfahrttechnik in vergangener Zeit zählen konnte. Wenn das Stauvolumen
verringert werden kann (und daher die Verpackungsdichte für ein gegebenes
Gewicht erhöht
werden kann), können
Raketenstartdienste effizienter verwendet werden.
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Die
Druckschrift
US 3,599,218 beschreibt
einen parabolischen Reflektor mit einer Parabolantenne aus einem
dünnen
reflektierenden Material, das von schlanken elastischen Rippen verstärkt wird.
Die elastischen Rippen sind vorgespannt oder vorgeformt, so daß dadurch
die Antenne eine im allgemeinen parabolische Form annimmt, wenn
der Reflektor auseinandergefaltet wird oder aus dem Staubehältnis gelöst wird.
Dieses Dokument beschreibt eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
Druckschrift
US 3,521,290 beschreibt eine
zusammenfaltbare Antenne mit einem flexiblen reflektierenden Gitter,
welches eine parabolische Form annimmt, wenn die Antenne auseinandergefaltet
wird und die radialen Rippen mit dem reflektierenden Gitter verbunden
werden. Die radialen Rippen speichern elastische Dehnungsenergie,
wenn die Antenne verstaut ist, so daß das reflektierende Gitter in
eine parabolische Form springt, wenn die Antenne auseinandergefaltet
wird.
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
eine Vorrichtung mit einem flexiblen energieleitenden Medium, das
eine im wesentlichen durchgehende Oberfläche aufweist und gemäß einer
vorbestimmten Geometrie ausgebildet ist, und eine Verteilung mehrerer Schichten
flexiblen Materials, das an jeweiligen Stellen an der Oberfläche des
Mediums befestigt ist, und eine Vielzahl faltbarer Versteifungselemente
ausbildet, die in einer auseinandergefalteten Konfiguration des
Mediums das Medium dazu veranlassen, der vorbestimmten Geometrie
zu entsprechen, und in einer nicht auseinandergefalteten Konfiguration
des Mediums das Medium dazu veranlassen, einer Verstauungskonfiguration
zu entsprechen, dadurch gekennzeichnet, daß eine jeweilige Schicht flexiblen Materials
und ein benachbarter Abschnitt des Mediums in der auseinandergefalteten
Konfiguration des Mediums eine im wesentlichen rohrförmig ausgestaltete
Versteifung und in der Verstauungskonfiguration des Mediums ein
im allgemeinen muldenförmiges Element
ausbilden, und wobei die jeweilige Schicht flexiblen Materials das
gleiche Material wie das Medium umfaßt.
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Die
Vorrichtung kann einen Teil einer entfaltbaren RF- bzw. Hochfrequenzantenne
bilden, der sich zu einer vorbestimmten Rotationsfläche entfaltet,
wobei die Vorrichtung umfaßt:
ein flexibles energierichtendes Material mit einer im wesentliche durchgängigen Oberfläche, die
eine Vielzahl radial aneinandergrenzender Kreissegmente umfaßt, und ausgebildet
ist, um einer vorbestimmten energierichtenden Geometrie zu entsprechen,
eine Vielzahl faltbarer radialer Versteifungselemente, die mit dem
flexiblem energieleitenden Medium entlang radialer Linien zwischen
den radial aneinandergrenzenden Kreissegmenten befestigt sind, ein
jeweiliges radiales Versteifungselement, das aus einem im allgemeinen
radialen Streifen flexiblen Materials ausgebildet ist und eine Querflächenabmessung
aufweist, die größer als
der Abstand jeweiliger Befestigungsstellen der radialen Streifen
mit dem flexiblen energieleitenden Material ist, und in der auseinandergefalteten Konfiguration
des flexiblen energieleitenden Materials entlang einer radialen
Linie des Materials eine im wesentlichen rohrförmig ausgestalteten radiale
Versteifung auszubilden, sowie in einer Verstauungskonfiguration
des Materials ein im wesentlichen muldenförmiges Element auszubilden.
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Vorzugsweise
werden diese Aufgaben erfolgreich gelöst, indem der Reflektor als
durchgängiges
Laminat sehr dünner
Schichten flexiblen Materials ausgebildet ist, das einen sehr gerin gen
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, beispielsweise dünne
Schichten aus Graphit-Epoxidharz
und ähnliches.
Das flexible Laminat ist ausgeformt, um eine vorbestimmten energiefokussierenden
Oberflächengeometrie
(beispielsweise paraboloid) zu entsprechen. Durch seine Dünne hat
das Reflektorlaminat ein reduziertes Gewicht und kann leicht in
eine gefaltete Form zusammengefaltet werden, wodurch die Verstauung
in ein beschränktes
Volumen vereinfacht wird. Ferner umfaßt die Laminatstruktur eine
Vielzahl von Radial- und Umfangsversteifungsbereichen, die nicht
nur dazu dienen, den Reflektor zu seiner gewünschten geometrischen Form
zu entfalten und zu halten, sondern auch dazu ausgebildet sind,
das Zusammenfalten des Reflektorlaminats zu einer kompakten (serpentinenförmig) verstauten
Konfiguration zu vereinfachen.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun in beispielhafter Weise unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben. Die Zeichnungen:
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1 und 2 sind
jeweilige schematische Seiten- und Endansichten einer üblichen
segmentierten radialen rippenbasierten räumlich entfaltbaren Parabolantenne
in verstautem Zustand;
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3 und 4 sind
jeweilige schematische Seiten- und Endansichten der Antenne der 1 und 2 im
auseinandergefalteten Zustand;
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5 ist
eine schematische perspektivische Ansicht der Anwendung der Erfindung
mit einer geeigneten parabolischen Hochfrequenzantennen-Reflektoroberfläche;
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6 und 7 sind
jeweilige schematische Perspektiv- und Endansichten der Antennenoberfläche der 5,
die in eine „serpentinenförmige" zusammengefaltete
Form zusammengefaltet ist;
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8 ist
eine schematische Aufsicht auf die Antenne der 5,
die radiale Versteifungen entlang einer Vielzahl von Linien darstellt,
die sich radial von einer zentralen Öffnung zu einem umlaufenden Randbereich
erstreckt;
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9 ist
eine Schnittansicht eines Abschnitts der Antennenoberfläche von 5,
die radiale Versteifungen zeigt, welche auf einer hinteren Oberfläche des
Laminats ausgebildet sind;
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10 ist
eine schematische vergrößerte Teilansicht
entlang der Schnittlinie 10-10 der 8;
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11 zeigt
schematisch eine muldenförmige
Verschachtelung einer radialen Versteifung der Antennen-Laminatstruktur
von 5 im zusammengefalteten Zustand;
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12 zeigt
bogenförmige
Segmente der Antennenoberfläche
von 5, die zu einem Satz „serpentinenförmiger" Faltungen zwischen
aufeinanderfolgenden radialen Versteifungen zusammengefaltet sind;
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13 ist
eine schematische vergrößerte Teilansicht
entlang der Linie 13-13 von 8.
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Die
vorliegende Erfindung wird in Verbindung mit ihrer Anwendung für eine Hochfrequenz(RF)-reflektor-Antennenoberfläche beschrieben,
welche eine vorbestimmte Geometrie aufweist, beispielsweise eine
parabolische Rotationsoberfläche
(oder paraboloid), die üblicherweise
in der Kommunikationsindustrie verwendet wird. Die offenbarte zusammenfaltbare
Versteifungsarchitektur kann in anderen energieleitenden Anwendungen
eingesetzt werden, beispielsweise bei der Sammlung von Solarenergie,
einschließlich
Reflektions- und Brechungssysteme sowie für Anwendungen für akustische
Energie, ist jedoch nicht darauf beschränkt.
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Die 5 ist
eine schematische perspektivische Ansicht einer Anwendung der Erfindung
mit einer parabolischen Hochfrequenzantennen-Reflektoroberfläche 50.
Das Material der Antennen-Reflektoroberfläche 50 umfaßt vorzugsweise
ein durchgehendes Laminat aus dünnen
Schichten flexiblen Materials, die ausgeformt sind, um einer vorbeschriebenen energiefokussierenden
Oberflächengeometrie
zu entsprechen, beispielsweise eine paraboloide Oberflächengeometrie
in der vorliegenden Ausführung). Die
Schichten selbst können
für Hochfrequenz(RF)-Wellen
reflektierend sein oder das Laminat kann mit einem Hochfrequenzreflektierenden
Material beschichtet sein, beispielsweise leitende Farbe. Vorzugsweise
ist das flexible Hochfrequenzwellen-Oberflächenmaterial aus einem Material
mit einem relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten
hergestellt. Als Beispiel kann Graphit-Epoxidharz verwendet werden.
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Die
Reflektoroberfläche
kann aus dünnen Schichten
mit Graphit-Epoxid einer relativ geringe Dicke in der Größenordnung
von nur einigen Tausendstel Zoll (1/1000 Zoll = 2,54 × 10–5 m)
hergestellt sein, die eine vielschichtige Struktur ausbilden oder
in dieser geschichtet sind, welche eine vorbeschriebene Verbund-Kurvenform
und eine Dicke auf einer der gewünschten Geometrie
des Antennenreflektors entsprechenden Präzisionsform aufweist. Durch
seine erhebliche „Dünne" weist das Reflektorlaminat
eine hohe Flexibilität
auf, so daß es
einfach in eine relativ kompakte zusammengefaltete Form zusammengefaltet
werden kann, beispielsweise in eine im wesentlichen zylindrische
Form, wie in der schematischen perspektivischen Ansicht von 6 und
der Endansicht der 7 mit den Bezugszeichen 60 dargestellt ist,
wodurch die Verstauung in ein beschränktes Volumen an Bord eines
Raumfahrzeug-Startvehikels, beispielsweise
das Space Shuttle, vereinfacht ist. Ferner wird durch die Dünne des
Reflektorlaminats die Nutzlast wesentlich reduziert, und somit auch
die Kosten des Raketenstarts und der Auseinanderfaltung.
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Um
das flexible Material der Antennenreflektor-Oberfläche 50 in
seine gewünschte
geometrische Form auseinanderzufalten und um diese beizubehalten,
umfaßt
die erfindungsgemäße laminierte
Struktur eine Verteilung von radialen Versteifungen 52,
sowie von Rand- oder Umfangsversteifungen 54. Wie in der
Aufsicht der 8 dargestellt ist, sind die
radialen Versteifungen 52 entlang einer Vielzahl radialer Linien 51 angeordnet,
welche sich radial von einer im wesentlichen zentralen kreisförmigen Öffnung 83 zu einem
Umfangs-Randbereich 85 der Antennenoberfläche 50 nach
außen
erstrecken. Durch die radialen Linien 81 wird effektiv
in ihrem Zwischenraum eine Vielzahl von radial aneinanderstoßenden gebogenen Oberflächenverbund-Segmente
mit Keilform definiert. Das dargestellte Beispiel zeigt acht radiale
Linien. Die Anzahl und Größe kann
dafür zugeschnitten sein,
den physikalischen Parametern des bestimmten Antennendesigns Rechnung
zu tragen. In gleicher Weise sind die Randversteifungen 54 entlang der äußeren Kante
oder entlang des Umfangs-Randbereichs 87 der Antennenoberfläche 50 angeordnet, und
grenzen an die Endpunkte der radialen Linien 81.
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Die 9 ist
eine Schnittansicht eines Abschnitts der Antennenoberfläche 50,
welche radiale Versteifungen 52 dargestellt sind, die auf
einer hinteren Oberfläche 51 des
Laminats entgegengesetzt zu einer vorderen Oberfläche 53 ausgebildet
sind, auf die die Hochfrequenzenergie auftrifft. Wie ferner in der
schematischen vergrößerten Teilansicht
der 10 dargestellt ist, die der Schnittlinie 10-10
der 8 entspricht, wird eine einzelne radiale Aussteifung
durch Anbringen (beispielsweise mittels eines geeigneten Epoxid-Graphit-Klebemittels)
eines im allgemeinen länglichen
Streifens flexiblen Materials 100 entlang seiner beabstandeter
Kanten 101 und 102 an die hintere Oberfläche 51 des
Laminats 50 ausgebildet. Jeder Streifen flexiblen Materials 100 hat
eine gesamte Quer-Oberflächenabmessung
zwischen den Befesti gungsstellen 101 und 102,
die größer als
der Abstand zwischen den Befestigungsstellen 101 und 102 entlang
der Oberfläche 55 des
Laminatmaterials ist.
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Dadurch
wird der flexible Streifen 100 in eine im wesentlichen
gebogene oder konkave Form gezwungen, wodurch der Verstärkungsstreifen
Dehnkräfte
speichert, die dazu neigen, die Oberfläche 50 in einer Umfangsrichtung
auseinander zu spreizen oder zu entfalten (wie durch die Pfeile 61 und 62 dargestellt
ist), um sie in ihre gewünschte
Verbundkurvenform zu bringen. Der konvex gebogene Streifen bildet
ferner einen im wesentlichen röhrenförmigen Rücken oder
Versteifung, der bzw. die die benachbarten Oberflächenabschnitte 55 der
Antennenoberfläche 50 mit
einem vorbestimmten Steifigkeitsgrad ausstattet. Daher dient eine
Verteilung solcher radialer Versteifungen 100 dazu, die
Antennenoberfläche 50 mit
einer radialen Steifigkeit auszustatten, und dadurch die gewünschte Verbundkurvenkonfiguration der
Antennenoberfläche
in ihrem ausgefalteten Zustand beizubehalten.
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Der
Grad an radialer Steifigkeit, der von einem radialen Streifen 100 ausgeht,
hängt von
den Eigenschaften des Materials der Antennenoberfläche 50 und
denen des flexiblen Streifens 100 ab, beispielsweise von
der Dicke bzw. der Breite des Streifens 100, dem Dehnungskoeffizienten,
und so weiter, ist jedoch nicht auf diese beschränkt. Als nicht beschränkendes
Beispiel kann der Versteifungsstreifen 100 aus dem gleichen
Material (beispielsweise Graphit-Epoxidharz)
ausgebildet sein und mehrere ausgebildete Laminatlagen enthalten,
um eine vorbestimmte Steifigkeit auszubilden, während es ausreichend flexibel
ist, um eine muldenförmige
Verschachtelung benachbarter Oberflächenabschnitte 55 der
Antennenoberfläche 50 in
ihrem zusammengefalteten Zustand zur Verstauung zu ermöglichen, wie
in 11 dargestellt ist.
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Die
Anzahl und Größe der radialen
Versteifungen kann daran angepaßt
sein, die physikalischen Parameter des bestimmten Antennendesigns
zu berücksichtigen.
Die Anzahl der Faltungen, in die die Antennenoberfläche 50 zusammengefaltet
wird, hängt
teilweise von der räumlichen
Beabstandung der radialen Versteifungen auf der Rückseite 53 der Antennen-Laminatoberfläche ab.
In der Teil-Endansicht der im allgemeinen zylindrisch verstauten
Konfiguration der Antennenoberfläche
der Erfindung zeigt die 12 ein
Beispiel der Art und Weise, in der die bogenförmigen Segmente der Antennenoberfläche 50 zu
einer Verschachtelung als Satz von mäandernder, gekrümmter oder „serpentinenförmiger" Faltungen 121, 122, und 123 zwischen
aufeinanderfolgenden radialen Versteifungen 100 zusammengefaltet
werden können.
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Die 13 ist
eine schematische vergrößerte Teilansicht
entlang der Linie 13-13 der 8, welche
ein bestimmtes Element aus einer Vielzahl von Rand- oder Umfangsversteifungselementen 54 zeigt, welches
in Reihe entlang des Randbereichs 85 der Antennenoberfläche 50 verteilt
sind. Wie dort dargestellt ist, umfaßt ein Randversteifungselement 54 ein Paar
im allgemeinen ringförmig
ausgeformter Streifen 130 und 140 flexiblen Materials,
die aneinander an den jeweiligen radialen inneren und äußeren Seitenkanten 131/141 und 132/142 des
Materials befestigt sind (beispielsweise mittels eines Graphit-Epoxid-Klebemittels).
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Einer
der Streifen (beispielsweise der Ringstreifen 130) kann
das gleiche Material wie das eines ringförmigen Randbereichs der Antennenoberfläche 50 umfassen,
während
der andere Streifen (beispielsweise der Ringstreifen 140)
einen getrennten Randbereich aus einem anderen Material umfassen
kann. Jeder flexible Randbereichsstreifen 130/140 hat
eine Gesamt-Queroberflächenabmessung
zwischen seinen Befestigungsstellen 131/141 und 132/142,
die größer als
die radiale Beabstandung 56 entlang der Oberfläche des
laminierten Materials ist, so daß jeder Streifen 130/140 in
eine konkave Form gebogen wird, die Dehnkräfte speichert, welche dazu
neigen, den Randbereich 85 der Antennenoberfläche 50 auseinanderzufalten
und beizubehalten, wenn diese in ihrer gewünschten Kreisform auseinandergefaltet
ist.
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Ähnlich wie
die radialen Versteifungen 100 hängt die umfängliche Steifigkeit, welche
durch eine jeweilige Randbereichversteifung 54 verliehen
wurde, von den Eigenschaften des Materials der Antennenoberfläche 50 und
denen des Paars der benachbarten ringförmigen Streifen 130/140 ab.
Jeder Randbereichsstreifen 130/140 kann aus dem
gleichen Material (Graphit-Epoxidharz)
hergestellt sein und mehrere ausgebildete Laminatslagen 50 enthalten,
um die vorgeschriebene Steifigkeit zu erlangen, und um gleichzeitig
ausreichend flexibel zu sein, um der oben beschriebenen serpentinenförmig gefalteten
Verschachtelung der Antennenoberfläche 50 in ihrem zusammengefalteten
Zustand zu entsprechen, wie in den 6 und 7 dargestellt
ist.
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Eine
Aufgabe liegt darin, die gewünschte Verpackungsdichte
einer auseinanderfaltbaren Antenne wesentlich zu erhöhen, während gleichzeitig die
Verläßlichkeit
der gewünschten
auseinandergefalteten Geometrie verläßlich beibehalten wird, die erfolgreich
durch Konfigurie ren der Antennen-Reflektoroberfläche als durchgängiges Laminat
sehr dünner
Schichten flexiblem Materials mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten
erreicht werden kann, beispielsweise sehr dünne Schichten aus Graphit-Epoxidharz,
die ausgeformt sein können,
um einer vorgeschriebenen energiefokussierenden Oberflächengeometrie
(beispielsweise paraboloid) zu entsprechen. Durch ihre Dünne ist
das Reflektorlaminat in eine gefaltete Form zusammenfaltbar, die
die Verstauung auf ein beschränktes
Volumen vereinfacht. Zudem umfaßt
die laminierte Struktur der Erfindung eine Vielzahl von Radial-
und Rand-Versteifungsbereichen,
die nicht nur dazu dienen, den Reflektor in seiner gewünschten
geometrischen Form zu entfalten und diese beizubehalten, sondern
auch dazu konfiguriert sind, das Zusammenfalten des Reflektorlaminats
in eine kompakte (serpentinenförmige)
Verstauungskonfiguration zu vereinfachen.
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Eine
räumlich
auseinanderfaltbare Antennen-Reflektoroberfläche ist als kontinuierliches
Laminat ausgebildet, das ausgeformt ist, um einer vorbestimmten
energiefokussierenden Oberflächengeometrie
zu entsprechen. Das Laminat wird aus dünnen Schichten flexiblen Materials
ausgebildet, beispielsweise dünne
Schichten aus Graphit-Epoxid, welche zusammenfaltbare Radial- und
Rand-Versteifungsbereiche enthalten. Durch ihre Dünne ist
das Reflektorlaminat in eine gefaltete Form zusammenfaltbar, wodurch
die Verstauung in einem beschränkten
Volumen vereinfacht wird, beispielsweise an Bord des Space Shuttles.
Die Versteifungselemente der Laminat-Antennenstruktur vereinfacht
das Auseinanderfalten und Beibehalten des Reflektors in seiner gewünschten
geometrischen Form.