DE60120135T2

DE60120135T2 - Entfaltbare antenne

Info

Publication number: DE60120135T2
Application number: DE60120135T
Authority: DE
Inventors: Byron Vienna KNIGHT; Joseph Gainsville DUFFY; III Carl Gainsville CRANE; Joseph Rooney
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 2000-03-30
Filing date: 2001-03-19
Publication date: 2007-03-29
Anticipated expiration: 2021-03-20
Also published as: US6441801B1; ATE328373T1; DE60120135D1; EP1269574A2; AU2001252963A1; WO2001076011A2; WO2001076011A3; EP1269574B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Oberflächen, die Energien fokussieren, wie z.B. Antennen für Funkwellen, Solarfokussierrichtungen und ähnliche, und ist besonders auf eine architektonische Struktur ausgerichtet, die ein schraubenbasierendes, selbststabilisierendes Gerüst unterstützt, das so aufgebaut ist, das es stabil entfaltet werden kann, und die Eigenschaften der Energie fokussierenden Oberfläche regulierbar steuern kann.
Das Anwendungsgebiet faltbarer Strukturen, wie z.B. der im Weltraum eingesetzten Plattformen, hat sich im Laufe der letzten 10 Jahre wesentlich entwickelt. Was ursprünglich zu Lösen sehr schwierig war, hat sich nun mit Hilfe von kommerziellen Erfahrungen zu einer Anzahl praktischer Anwendungen entwickelt. Die Bedeutung dieser Entwicklung ist die verlässliche Entfaltung von verschiedenen Antennen-Systemen, mit denen die Weltraumfahrzeuge ausgestattet sind, ähnlich denen, die die NASA bei der TDRS (Tracking Data and Relay Satellite), der Verfolgung und Zuordnung von Datenübermittlung über Satelliten, anwendet. In den letzten Jahren war die Entwicklung von parabolischen Netz-Oberflächen Reflektor-Geometrien begleitet von Verbesserungen in schrittweisen Anordnungen (flache Plattenstrukturen mit elektronisch gesteuerten Strahlen), von denen beide entscheidend für die kommerziellen Raumfahrt- und die Verteidigungsprogramme sind. Da die kommerzielle Raumfahrzeugproduktion die militärischen und zivilen Einsatzmöglichkeiten überstiegen hat, besteht augenblicklich ein Bedarf an strukturellen Systemen mit bewiesener Verlässlichkeit und Leistungsstärke unter dem stets vorhandenen Kostendruck. Wie es in dem Text von Larson und Wertz mit dem Titel „Space Mission Analysis and Design", Microcosm, Inc. ISBM: 1881883019; November 1992, 2. Ausgabe, beschrieben ist – dürften die Anforderungen an die Systeme eines Raumfahrzeuges durch ein Verfahren zur Identifizierung von umfassenden Zielsetzungen mit vernünftig erreichbaren Zielen und unter dem stets vorhandenen Kostendruck bestimmt werden. Obwohl Raumfahrtaufträge sehr variieren, und die Erfordernisse, Ziele und die mit jedem Auftrag verbundenen Kosten auch sehr variieren, gibt es immer eine Einschränkung: "Raumfahrt ist teuer".
Die Zielsetzung für eine große im Weltraum entfaltbare Antenne ist eine verlässliche Reflektion von Funkfrequenzenergie an einen elektronischen Kollektor (Empfänger) bereit zu stellen, der im Zentrum der parabolischen Oberfläche angebracht ist. Der augenblickliche Stand des Designs von entfaltbaren parabolischen Antennen im Weltraum ist vornehmlich darauf basiert, was man als segmentierten Herstellungsansatz benennen könnte, und welche wie dies in den 1–4 dargestellt ist so wie ein Schirm gestaltet sind. Bei diesem Designtyp sind eine Mehrzahl von radialen Rippen oder Segmenten 1 mit einem zentralen Sammelpunkt 3 verbunden, der den Antennen Empfänger hält. Ein mechanisch vorteilhaftes lineares Antriebsteil (nicht gezeigt) wird verwendet, um die Segmente 1 von ihrer verstauten oder entfaltenden Position, (gezeigt in der schematischen Ansicht von oben nach unten in den 1 und 2, in eine geschlossenen, überzogenen Position zu überführen, so dass sie sich zu einer Oberfläche 7 entfalten kann, wie es auch in der schematischen Ansicht von oben nach unten in den 3 und 4 erkennbar ist.
Eine Unzulänglichkeit eines Designs mit einer einzigen Faltung liegt für diese Art von Antenne in der Gegebenheit, dass die Höhe des verstauten Paketes größer als die Hälfte des entfalteten Durchmessers ist. Andere Vorschläge schließen den Gebrauch von Gebindespannern und mechanische Speicher-Oberflächen-Materialien ein.
Zur Erreichung der oben erwähnten Aufgaben ergibt eine Analyse der mathematischen und elektrischen Entwicklung drei fundamentale Parameter der Antenne: 1. Unschärfe, 2. Punktabweichung und 3. Oberflächenrauheit. Wie schematisch in der 5 gezeigt wird, ist bei einer empfangenden Antenne die Unschärfe definiert als Fehler in der Oberfläche eines Reflektors 10, der verursacht, dass die empfangene Energie 12 auf ein Gebiet 14 geleitet oder projiziert wird, anstatt diese auf den Brennpunkt zusammenzuführen (wo ein Antennenempfänger angebracht ist). Wie in der 6 gezeigt wird, entspricht die Punktabweichung der falschen Anordnung der zusammengeführten Energie 12 auf eine Raumposition 16 abweichend vom vorgesehenen Brennpunkt 18. Die dritte Eigenschaft ,Oberflächenrauheit' (oder eine Beschreibung die einer z.B. parabolischen Oberflächengeometrie am nächsten kommt) ist definiert als die Fähigkeit des Reflektors, den gegebenen Bereich der Funkfrequenzenergie zu reflektieren und zu sammeln. Reflektoren mit höheren Bereichen benötigen eine präzisere Oberfläche, die der theoretischen Parabel näherkommen. Umgekehrt verursacht die Unschärfe für eine übermittelnde Antenne streuende (anstatt parallele) Energiewellen von der Reflektoroberfläche, während die Punktabweichung diese Wellen in die falsche Richtung lenkt.
In den vergangenen Jahren haben zahlreiche Organisationen mit neuen Entwicklungen von entfaltbaren Antennenstrukturen geworben. Die IR FORCE RESEARCH LABORATORIES (AFRL) der USA sind an Lösungen interessiert, um ihre Space Based Laser and Radar Programme zu unterstützen, und haben neue Lösungen gefordert, um entfaltbare Präzisionsstrukturen einsetzen zu können, die optische und Radar-Nutzlast zu unterstützen. Diese Forderungen basieren auf der Prämisse, dass die Verstauungsdichte für faltbare Antennen deutlich vergrößert werden kann, während gleichzeitig die Zuverlässigkeit die die Raumfahrtindustrie bisher gewohnt war erhalten bleibt. Ein Ausfall dieser Strukturen ist inakzeptabel. Wenn das zu verstauende Volumen reduziert werden kann (also eine Erhöhung der Dichte bei einem vorgegebenen Gewicht), können Abschussdienstleistungen effizienter geleistet werden.
Die Einbindung von vielseitigen Einsatzplattformen für die Raumfahrzeuge (z.B. für den von MOTOROLA gebauten Iridium Satellit) hat eine neue Basis geschaffen, wobei die Einsatzwirksamkeit eine Funktion des verstauten Paketes des betreffenden Raumfahrzeuges ist, und nicht des Gewichtes der elektronischen Sammelleitung. Für extrem hohe (EHF) Frequenzsysteme (grösser als 20 GHz) in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) braucht die Antennenöffnung nur einige wenige Meter im Durchmesser groß sein. Jedoch ist die Antennenöffnung für einen L-Band Geosynchronorbit-Satelliten (wie der von LOCKHHED MARTIN, USA gebaute AceS) 50 Fuss. Weniger Widerstand an Gewicht und Nutzlast muss erreicht werden, um einen effizienteren Aufstieg in die geostationäre Umlaufbahn zu gewährleisten.
Eine relativ umfangreiche Untersuchung des Technologiebedarfs für zukünftige Raumfahrtsysteme während der letzten zehn Jahre wurde vom INTERNATIONAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE in einem WTEC Forumsbericht vom 11. November 1998 mit dem Titel „Global Satellite Communications Technology and Systems, Executive Summary" veröffentlicht. Diese von der NSF/NASA unterstützte Untersuchung beauftragte ein Forum von US-Satelliteningenieuren und -wissenschaftlern, um internationale Satelliten R&D Projekte zu untersuchen, um die langfristige Präsenz der USA in diesem Industriezweig abschätzen zu können. Eine vorherige Untersuchung wurde im Jahre 1992 vorgenommen, mit der ermittelt wurde, dass es auch große Aktivitäten in Europa und Asien gab, die denen der USA entsprachen, und deren R&D Projekte mit den Fähigkeiten der USA verglichen wurde. Die spätere Untersuchung fügte marktabhängige, behördliche und politische Veränderungen zusätzlich zu den Fortschritten in der Technologie hinzu. Die Schlussfolgerung war, dass obwohl die USA einen Vorsprung auf dem weltweiten Markt der Raumfahrtindustrie hält, es ständige Gewinne anderer Kontinente gibt. Dies ist durch Starts von Raumfahrzeugen belegt, wo ARIANE SPACE beinah die Kapazitäten von BOEING'S (Delta) Raketenprogramm erreicht hat.
Ein bedeutsamer Aspekt dieser Untersuchung ist, dass die US-amerikanischen Hersteller ihre Ziele für die kurzfristige Entwicklung (Erreichen der Programm-Performance) erreichen, aber die langfristigen Ziele gänzlich vernachlässigt haben, die traditionell durch die Regierung finanziert werden. Die Technologien eines erstklassigen Kandidaten schließen strukturelle Elemente, Materialien und Strukturen für elektronische Geräte und große entfaltbare Antennen (die Durchmesser über 25 Meter hinaus haben) ein. Während es Untersysteme mit 14 Metern gegeben hat, welche für die Erfordernisse der Geosynchronorbit Systeme in den 90er Jahren entwickelt wurden, müssen die Anforderung an „große Entfaltbarkeit erst in Angriff genommen und entwickelt werden.
Tetrobots wurden in den letzten Jahren als ein neuer Ansatz zu dem Baukastensystem entwickelt. Das Tetrobot System, wie es in dem Text von G. Hamlin und weiteren Verfassern mit dem Titel „TETROBOT, A Modular Approach to Reconfigurable Parallel Robotics", Kluwer Akademischer Verlag, 1998 (ISBN: 0-7923-8025-8) beschrieben wird, verwendet ein System von Hardwarebestandteilen, einen Algorithmus und Software, um verschiedene Robotsysteme zu bauen, um mehrfache Erfordernisse an das Design zu erfüllen. Diese Strukturen sind Platonic Solids (vier- und achtflächige Module), wobei alle Verbindungen aus Gebindegliedern hergestellt werden. Wie im Text mit dem Titel „Kinematic Analysis of Generalized Adaptive Trusses" von P. Tidwell und weiteren Verfassern geschrieben wurde (herausgegeben von der First Joint U.S./Japan Conference on Adaptive Structures, 13–15 November 1990 im Technomic Publishing Co Verlag, Seiten 772–791) wurden anpassungsfähige Gebinde auf dem Gebiet von entfaltbaren Strukturen angewendet, weil sie die größte Festigkeit und Stärke für ein vorgegebenes Gewicht irgendeiner Gelenkstruktur oder irgendeines Gelenkmechanismus liefern. Durch die Anwendung vierflächiger Geometrie (6-Streben und 4-Eckpunkte) als Basis schlägt Tidwell und weitere Verfasser eine Serie von achtflächigen Zellen (12-Streben und 6-Eckpunkte) vor, um eine anpassungsfähige Struktur zu bauen. Ein Artikel von B. Wada und weiteren Verfassern mit dem Titel „Using Adaptive Structures to Enable Future Missions by Realxing Ground Test Requirements", Journal of Spacecraft, Ausgabe 28, Nr. 6 Nov–Dez 1991, Seiten 663–669, folgert, dass von gut definierten, vorwärts gerichteten Analysen (Position, Schnelligkeit und Beschleunigung) diese anpassungsfähigen Gebinde sehr nützlich für entfaltbare Strukturen sein könnte, um Positions- und Bewegungsfehler zu beseitigen, die durch Fertigung, Temperaturwechsel, Stress oder äußere Kräfte verursacht werden können.
Das schwierigste Thema bei der Entwicklung eines Designs für eine verlässliche entfaltbare Struktur ist die Verpackung eines leichtgewichtigen Untersystems in einem so klein wie möglichen Volumen, während sichergestellt wird, dass die entfaltbaren Strukturen die Systemanforderungen und die Auftragsabwicklung erfüllen. Ein Artikel von D. Warnaar mit dem Titel „Evaluation Criteria für Conceptual of Deployable-Foldable Truss Structures" ASME Design Engineering: Mechanical Design and Synthesis, Ausgabe 46, Seiten 167–173, 1992, beschreibt die Kriterien, die für die entfaltbaren und faltbaren Trägerstrukturen entwickelt wurden, und beschäftigt sich mit den Themen des konzeptionellen Designs, der Lagerkapazität, strukturellen Massen, struktureller Integrität und Entfaltung. Dieser Artikel vereinfacht die Konzepte, die sich auf eine verstaute zweidimensionale Fläche beziehen, die sich in ein dreidimensionales Volumen entfaltet. Eine Anleitung für zusammengefaltete entfaltbare Gebindestrukturen ist in dem Bericht „Conceptual Design of Deployable-Foldable Truss Structures Using Graph Theory-Part 1: Graph Generation" von D. Warnaar und weiteren Verfassern von der ASME Mechanismus Konferenz im Jahre 1990, Seiten 107–113, September 1990, und „Conceptual Design of Deployable-Foldable Truss Structures Using Graph Theory-Part 2: Generation of Deployable Truss Module Design Concepts" von D. Warnaar und weiteren Verfassern, von der ASME Mechanismus Konferenz im Jahre 1990, Seiten 115–125, September 1990, beschrieben. Diese Serie von Algorithmen zeigt eine mathematische Darstellung für das zusammengefaltete (dreidimensionale Volumen in einer zweidimensionalen Fläche) Gebinde und hilft bei der Bestimmung der verschiedenen Kombinationen für ein gefaltetes Gebindedesign.
Das Langley Research Center der NASA hat umfangreiche Erfahrungen bei der Entwicklung von Gebindestrukturen für die Raumfahrt. Eine Anwendung eines dreiringigen optischen Gebindes mit einem Durchmesser von 14 Metern wurde konstruiert für Beobachtungsmissionen im All. Ein Artikel von K. Wu und weiteren Verfassern mit dem Titel „Multicriterion Preliminary Design of Tetrahedral Truss Plattorm" Journal of Spacecraft and Rockets, Ausgabe 33, Nr. 3, Mai–Juni 1996, Seiten 410–415, detailliert eine Design-Untersuchung, die mit Hilfe von Taguchi Methoden unternommen wurde, um entscheidende Parameter für ein Pareto-optimales Design zu bestimmen: Maximale strukturelle Frequenz, minimale Masse, und das Maximum-Frequenz-zu-Masse-Verhältnis. In dieser Untersuchung wurden vierflächige Zellen für die Struktur zwischen zwei Präzisionsoberflächen verwendet. 31 Analysen wurden auf 19.683 möglichen Designs mit einem durchschnittlichen Frequenz-zu-Masse-Verhältnis zwischen 0,11 und 0,13 Hz/Kg ausgeführt. Das Ergebnis ist eindrucksvolle 22 bis 26 Hz für eine 200 Kg Struktur.
Das Anwendungsgebiet von entfaltbaren Strukturen in der Raumfahrt hat sich sowohl als technische Herausforderung als auch finanziell als lukrativ während der letzten 10 Jahre erwiesen. Solche Anwendungen wie große parabolische Antennen verlangen umfangreiche Erfahrung und Hilfsmittel zur Herstellung, sind aber ein entscheidender Bestandteil auf dem wachsenden persönlichen Kommunikationsmarkt. Die Patente, die sich auf entfaltbare Strukturen in der Raumfahrt beziehen, haben sich typischerweise auf die Anwendung von Designs allgemeiner Gebindenetzwerke konzentriert, anstatt auf spezifische Designs von Antennen. Einige dieser Patente betreffen neue Ansätze, die man noch nicht in Publikationen gesehen hat.
Die Ausführungen der US-amerikanischen Patente Nr. 4.030.102 und Nr. 4.825.225 offenbaren z.B. die Anwendung einer Streben- und Verbindungs-Konstruktion für entfaltbare Antennen. Die Mehrzahl solcher Patente beschäftigen sich jedoch mit Gebinden und den Themen Ihres Entfaltens und des geringen Stauvolumens. Die Beschreibung des US-amerikanischen Patents Nr. 4.539.768 z.B. offenbart ein Design für ein dreidimensionales rechteckiges Volumen, das auf einem Achtflächler basiert. Die Entfaltung verwendet eine Serie von Verbindungen innerhalb des Netzwerks von Streben, und die Details der Verbindungsstellen und Gelenke werden beschrieben. Ein kompaktes Stauvermögen könnte in ein steifes dreidimensionales Gerüst ausgedehnt werden, wenn es mit anderen achtflächigen Untergeräten vernetzt wird.
Andere Patentbeschreibungen setzen die Arbeit mit ausdehnbaren Netzwerken fort, um die Erfordernisse der Internationalen Raumstation zu erfüllen. Die Beschreibung des US-amerikanischen Patents Nr. 4.655.022 z.B. setzt Streben und dreieckige Platten ein, um vierflächige Einheiten zu formen, die ein lineares Gebinde bilden.
In dem Artikel von Duffy I. und weiteren Verfassern mit dem Titel „Review of a family of self-deploying tensegrity structures with elastic ties", Shock and Vibration Digest, Ausgabe 24, Nr. 2, 1. März 2000, Seiten 100–106, wird eine Struktur im selbststabilisierenden Zustand beschrieben, die kompakt verstaut und entfaltet werden kann, um eine energiebündelnde Oberfläche zu bilden, so wie eine Funkwellenantenne. Durch den Gebrauch einer schraubenbasierenden Entfaltung und der Positionierbewegung der Unterflächen der selbststabilisierenden Struktur dürfte die Neigung und dadurch die Form der unterstützten energiebündelnden Oberfläche kontrollierbar justiert werden. Eine 6-6 parallele Plattformstruktur besteht aus einer oberen sechseckigen Verbindungsbasis und einer unteren sechseckigen Basis, die Umfangsgeometrie, die durch eine Mehrzahl von miteinander verbundenen Verbindungen definiert ist. Eckpunkte der sechseckigen Verbindungsbasis und die sechseckige obere Verbindungsplattform sind durch einen Satz von 12 Beinen miteinander verbunden, und mit einem Paar Beinen, die sich von jedem Eckpunkt der betreffenden sechseckigen Plattform/Basis-Verbindungssatz auf die angrenzenden Eckpunkte der gegenüberliegenden sechseckigen Basis/Plattform-Verbindungssatz ausdehnen. Jedes Beinpaar schließt ein Druckbauteil oder eine Strebe und ein Spannungsbauteil bzw. Verbindung mit ein. Ein schraubenbasierender Positionierantrieb ist mit anderen Druckbauteilen verbunden, um die obere Plattform in Bezug zur Basis rotieren zu lassen, und um die Antenne zu entfalten und um die Stützstruktur um die zentrale längslaufende Achse zu ihrer Struktur im selbststabilisierenden Zustand zu drehen.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ein Verfahren zur Entfaltung einer unterstützenden Struktur für eine Antenne, in dem eine schraubenbasierende Differenzialachsenpositionierbewegung für eine Plattformstruktur in Bezug auf eine Baistruktur dieser besagten Architektur eingeführt wird, damit das faltbare Material, das die Funkwellen reflektiert, sich in eine beschriebene Antennen-Oberflächen-Geometrie entfaltet, in der das besagte unterstützende Gerüst ein erstes Spannbauteil, das als Polygon 154 gebildet ist, und als zweites Spannbauteil, das als Polygon 152 gebildet ist, aufweist, wobei jede Ecke des besagten ersten Polygons mit einem entsprechenden Spannungsbauteil verbunden ist und ein Druckbauteil der angrenzenden Eckpunkte des besagten zweiten Polygons, und wobei jeder Eckpunkt des besagten zweiten Polygons auch durch eine Spannungs- und Druckbauteil entsprechend zu angrenzenden Eckpunkten des besagten ersten Polygons verbunden ist, so dass Druckbauteile sich mit Spannungsbauteilen zwischen den ersten und zweiten Polygonen abwechseln, wobei die entgegengesetzten Enden jedes Druckbauteiles nur mit einem Spannungsbauteil verbunden sind, wodurch die besagte Struktur in die Strukturen in diesem selbststabilisierenden Zustand so angeordnet sind, dass die Summe aller Spannungskräfte in den besagten Spannungsbauteilen der Summe der Druckkräfte in den besagten Druckbauteilen entspricht, und in dem vorzugsweise jeder der besagten ersten und zweiten Polygonen eine Sechseck aufweist, das durch die besagte Oberflächengeometrie der Antenne in Form eines parabolisch geformtes, reflektierendes Netzes 170, das durch eine Anordnung von Zügen 171 und Verbindungen 172 unterstützt wird, und eine Feinausrichtung zu einer parabolischen Form durch die unterstützenden Druck- und/oder die Spannungsbauteile zur Verfügung gestellt wird, gekennzeichnet ist.
Die Erfindung beinhaltet auch eine Antenne, die aus einer Struktur besteht, die so bearbeitet ist, dass sie in einen selbststabilisierenden Zustand angepasst werden kann, in dem sie eine schraubenbasierende Differenzialachsenpositionierbewegung einführt, und das faltbare Material, das die Funkwellen reflektiert, veranlasst, sich in eine Antennenoberflächengeometrie auszufalten, indem die besagte Struktur ein als erstes Spannungsbauteil aufgebautes Polygon und ein als zweites Spannungsbauteil aufgebautes Polygon einschließt, das in paralleler Beziehung zu dem besagten ersten Polygon positioniert ist, wobei die Eckpunkte des besagten ersten Polygons mit Spannungs- und Druckbauteilen zu den Eckpunkten des besagten zweiten Polygons gekoppelt sind, und eine Struktur einer operativen Schwenkvorrichtung, die die besagte schraubenbasierende Bewegung zwischen den besagten Druckbauteilen vermittelt, um die achsenförmige Verlagerung mit der allseitigen relativen Rotation zwischen den als ersten und zweiten Spannungsbauteilen besagten aufgebauten Polygonen zu bewirken, und dabei die besagte Struktur im selbststabilisierenden Zustand zu platzieren, wobei jeder Eckpunkt des besagten ersten Polygons jeweils durch ein besagtes Spannungs- und ein Druckbauteil mit den angrenzenden Eckpunkten des besagten zweiten Polygons verbunden ist, und jeder Eckpunkt des besagten zweiten Polygons jeweils durch ein besagtes Spannungs- und ein besagtes Druckbauteil zu den angrenzenden Eckpunkten des besagten ersten Polygons verbunden ist, so dass die Druckbauteile sich abwechseln mit den Spannungsbauteilen zwischen den besagten ersten und zweiten Polygonen, wobei die gegenüberliegenden Enden jedes Druckbauteiles sich nur mit dem Spannungsbauteil verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass sich auch nach dem Entfalten die besagte Antennenoberflächengeometrie eine parabolisch reflektierendes Netz bildet, das durch eine Anordnung von Zügen und Verbindungen unterstützt wird, und in dem eine Feineinstellung die parabolische Form durch die unterstützenden Druck- und Spannungsbauteilen zur Verfügung gestellt wird, wenn die besagte Schwenkvorrichtung der Struktur die besagte Antennenstruktur in die besagte Struktur des selbststabilisierenden Zustands versetzt.
Es ist vorteilhaft, eine hochstabile Struktur zu bilden, die auch als selbststabilisierende Struktur bekannt ist, um und eine energiebündelnde Oberfläche, wie eine Antenne für Funkwellen, zum Bündeln von Sonnenstrahlen und ähnliche, kompakt verstauen, entfalten und unterstützen zu können. Darüber hinaus kann durch den Gebrauch einer schraubenbasierenden Entfaltung und durch die Positionierbewegung der Streben der selbststabilisierenden Struktur die Neigung und dadurch die Form der energiebündelnden Oberfläche kontrollierbar justiert werden, um Korrekturen zu erleichtern, die die Antennenunschärfe, Fehlpositionierung und Oberflächenrauheit ausgleichen.
Eine 6-6 Plattformstruktur für die Entfaltung und die Unterstützung der Energie weiterleitenden Oberfläche, wie z.B. eine parabolische RF elektromagnetische Antenne ist geeigneterweise so gestaltet, dass der niedrigste Energiezustand für die Plattformstruktur sich in der schraubenrotierenden 6-6 selbststabilisierenden Position befindet. Die 6-6 parallele Plattformstruktur beinhaltet eine obere sechseckige Plattform und eine untere sechseckige Basis, deren Umfangsgeometrie von jedem durch die Vielzahl der verbundenen gespannten Verbindungen bestimmt wird. Eckpunkte der sechseckigen Verbindungsbasis und der sechseckigen oberen Verbindungsplattform sind miteinander durch einen Satz von 12 Beinen verbunden, wobei ein Beinpaar sich von jedem Eckpunkt eines entsprechenden sechseckigen Plattform/Basis Bändersatz bis zu den angrenzenden Eckpunkten des entgegengesetzten sechseckigen Plattform/Basis Verbindungssatz ausdehnt. Jedes Beinpaar beinhaltet ein Druckbauteil oder Streben und ein Spannungsbauteil oder Verbindung, denn die zwölf Beine beinhalten sechs Druckstreben und einen alternierenden Satz von sechs gespannten Verbindungen, so dass gegenüberliegende Enden eines jeden Druckbauteils nur mit den gespannten Verbindungen verbunden sind.
Die Stabilität dieser 6-6 Struktur setzt voraus, dass die Summe der Spannungskräfte in den Verbindungen gleich groß ist wie die Summe der Druckkräfte in den Streben. Diese Struktur stellt sechs Freiheitsgrade bereit, so dass die Streben kontrollierbar justiert werden können, um die Parameter eines Untersystems einer Antennenoberfläche zu errichten, das von einer 6-6 parallelen Plattform unterstützt wird. Da die Geometrie einer jeden Basis und Plattform ein Sechseck bildet, ist der Radius von dem Zentrum der 6-6 parallelen Plattform Struktur zu Plattform Koordinaten gleich der Länge der Plattform/Basis Seite. Bei Anwendung der Geometrien der Basis und der Plattform kann man die Plucker-Linien Koordinaten berechnen, um die Länge der Beine zu bestimmen.
Um das Entfalten von der verstauten Lage und den geometrischen Parameter der entfalteten Struktur zu steuern, wird ein schraubenbasierendes Positionierbewegungssystems an die Streben gekuppelt, um eine relative z/Θz Bewegung oder einen Abstand p zu realisieren. Der Abstand, und zwar die Trennung zwischen der oberen Plattform und der unteren Basis, wird als das Verhältnis des linearen z Wechsels zu der Drehung um die z Achse definiert, was typischerweise mit der Mittelachse der entfaltenden Antennenoberfläche übereinstimmt. Eine (parabolische) geformte reflektierbare Oberfläche, sowie z.B. ein leitfähiges Maschenetz, das durch eine Anordnung von Schnüren und Verbindungen unterstützt werden kann, die an einer Vielzahl von Punkten um seinen kreisförmigen Umfang zu den sechs Endpunkten der Plattform der 6-6 parallelen Plattformstruktur verbunden ist, so dass bei der Betätigung der Streben die Antenne sich voll in seine beabsichtigte Geometrie entfalten lässt, während die Unterstützungsstruktur von ihrer verstauten Position in ihren selbststabilisierenden Zustand geschraubt wird.
Schlüsselparameter, die mit einer erfolgreichen Betätigung der entfaltbaren Antennen verbunden sind, können Unschärfe, Fehlpositionierung und Oberflächenrauheit sein. Da die selbststabilisierende Struktur der vorliegenden Erfindung eine Steuerung des Bewegungsablaufs der Bestandteile der parallelen Plattformstruktur ermöglicht, besonders die Positionierung der 6 Streben, können Anpassungen der Positionen der Streben für irgendeinen oder alle dieser Parameter vorgenommen werden, um der beschriebenen Spezifikation der Antennenleistung zu entsprechen. Unschärfe kann durch eine Analyse von Einsenkungen der strukturellen Bestandteile untersucht werden, wenn angenommen wird, dass ständige Fehler dem Untersystem der Antennen innewohnen, wenn es entfaltet ist. Für eine gegebene reflektierende Oberfläche ist eine gewisse Toleranz für eine zugehörige Beschreibung der Performance zugelassen.
Die anfänglichen Positionen der Streben können verändert werden, wenn es notwendig wird, um die Geometrie des reflektierenden Antennenumfangs zu steuern.
Fehlpositionierung hängt mit der ungenauen Geometrie der Oberfläche zusammen, die verursacht, dass die Energie zu dem falschen (theoretischen) Brennpunkt geleitet wird, obwohl der Brennpunkt eigentlich eine Brennebene ist, deren Problematik die Energiekontrolle mit RF Übermittlern/Empfängern ist. Die Fähigkeit die Positionen der Streben zu steuern, setzt eine Anpassung der Oberflächengeometrie voraus, so dass die RF Energie innerhalb der Begrenzungen dieser Ebene gelenkt werden kann. Die Handhabung eine schraubenbasierte Differenzialachsenplattform in Bezug zur Basis zu positionieren, ermöglicht der reflektierenden Oberfläche der Antenne, die RF Energie jeweils zu verschiedenen Brennpunkten zu lenken. Dadurch können verschiedene Empfängereinspeisungen in der Nähe eines nominalen Brennpunktes platziert werden, die es erlauben, verschiedene Strahlen von verschiedenen Frequenzen auf diese Empfänger zu lenken.
Die Genauigkeit der Oberfläche hängt von der Eigenschaft der reflektierenden Oberfläche ab (z.B. das reflektierende Maschennetz), wie z.B. aber nicht begrenzt auf, die nicht-lineare Steifigkeit und das Material der reflektierenden Oberfläche des Maschennetzes. Positionierung und Steuerung des Materials des Reflektors durch Feineinstellung der Strebenunterstützungsstruktur und/oder der gespannten Verbindungen kann angewendet werden, um die Eigenschaften des Oberflächenmaterials auszugleichen. Die Handhabung einer minimalen Anzahl von steifen Elementen (sechs Druckbauteile) der 6-6 selbststabilisierenden Struktur einer parallelen Plattform bei dieser Erfindung erleichtert auch die maximale Staudichte für einen begrenzten Raum in einem Raumfahrzeug oder dem Volumen.
Die vorliegende Erfindung wird nun an Hand von Beispielen in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
1 und 2 schematische Ansichten von oben nach unten der verstauten Position einer herkömmlich geteilten, auf einer radialen und Trägern basierende, sich im Weltraum entfaltete parabolische Antenne; zeigen
3 und 4 die entsprechenden schematischen Ansichten von oben nach unten der entfalteten Antenne aus 1 und 2 zeigen;
5 schematisch die Unschärfe einer reflektierenden Oberfläche illustriert;
6 die Fehlpositionierung einer Reflektierenden Oberfläche illustriert;
7 einen einfachen Vierflächler als eine viereckige, sechskantige Bauteilstruktur zeigt;
8 ein inneres, dreibeiniges System von vier Streben, von denen eine selbststabilisierende Struktur des Vierflächlers aus 7 erkannt werden kann zeigt;
9 einen einfachen Achtflächler zeigt;
10 den Achtflächler aus 9, der sich um sein Zentrum dreht, wodurch er eine 3-3 Plattformstruktur erzielt zeigt;
11 den 3-3 Achtflächler aus der 10 mit alternativen Lösungen, wobei die sechs Unterstützungstreben durch Verbindungen ersetzt wurden zeigt;
12 eine schematische perspektivische Ansicht einer selbststabilisierenden Struktur, die aus einer sechseckigen Plattform, die von einer Vielzahl von gespannten Verbindungen gebildet wurden, die in Beziehung zur sechseckigen Basis von einer Vielzahl von Verbindungen gebildet wurde ist;
13 eine schematische Draufsicht einer 3-3 parallelen Plattform illustriert;
14 eine Draufsicht einer 4-4 parallelen Plattform als ein quadratisches Anti-Prisma zeigt;
15 eine perspektivische Ansicht einer 6-6 parallelen Plattform in einer Position abwechselnd versetzt von der selbststabilisierenden Struktur Position aus der 12 zeigt;
16 eine Draufsicht einer 6-6 parallelen Plattform Struktur der 12 und 15 ist;
17 nachfolgende Lagen einer Rotation einer 6-6 parallelen Plattform Struktur der 15 und 16 bis zur Selbststabilisierung zeigt;
18 ein schematisch reflektierendes parabolisch geformtes Maschennetz, das an eine Vielzahl von Punkten entlang des kreisförmigen Umfangs bis zu den sechs Plattform Eckpunkten der 6-6 parallelen Plattform Struktur aufweist illustriert;
19 eine schematische Seitenansicht der Struktur aus 18 mit gestrichelten Linien ist;
20 und 21 schematisch Streben und Verbindungen, die mit einer Rolle entfaltet sind, die an den äußeren Enden einer Strebe befestigt ist illustrieren.
Das Gerüst einer Antennenunterstützung der vorliegenden Erfindung ist eine selbststabilisierende Struktur, die nicht nur hochstabil ist, die sich aber auch einer erheblichen Zunahme an staubarer Ladungsdichte für im Weltraum entfaltbaren Antennen erfreuen kann. Dies kann eine erhöhte Anwendung von selbststabilisierenden Struktur-basierten Unterstützungseinrichtungen für die Entfaltung und die Steuerung der Eigenschaften einer energiebündelnden Oberfläche erleichtern, wobei dies aber nicht auf parabolische Antennen limitiert ist.
Der Begriff selbststabilisierend (Tensegrity) ist ein Ansatz aus der Bewegungslehre für Unterstützungsstrukturen, deren Wörter von ,tensile' (anspannend) und ,integrity' (integre Vollständigkeit) abgeleitet sind. Dieser Begriff ist in einem Artikel von R. Connelly und weiteren Verfassern beschrieben unter dem Titel „Mathematics and Tensegritty" American Scientist, Ausgabe 86, März–April 1998, Seiten 142–151, Tensegrity (Selbststabilisierung) wurde ursprünglich im Jahre 1948 für architektonische Skulpturen von K. Snelson verwendet. Die Tensegrity Struktur selbst ist z.B. in der Beschreibung des US-amerikanischen Patents Nr. 3.063.52 beschrieben. Ein grundsächlicher Vorteil dieses Designtyps ist, dass es ein Minimum an Druckelementen (oder Streben) gibt. Die Stabilität des selbststabilisierenden Systems wird durch die Spannungsbauteile geschaffen.
Eine Vereinfachung von Snelson's Werk ist in dem Text von A. Pugh mit dem Titel „An introduction to Tensigrity", University of California Press, Berkeley, CA, 1976 (ISBN: 0-520-02996-8) veröffentlicht, der mit der grundlegenden Beschreibung den natürlichen Anreizen und Kräften beginnt, die das tägliche Leben bestimmen, über Anwendungen in der Geschichte von Spannungs- und Druckbauteilen in Gebäuden und Schiffen, um einen Ausgleich zwischen diesen Kräften zu erreichen, und den notwendigen Strukturen für Handel und Lebensunterhalt. Die Einführung von Platonic Solids (vier- und achtflächige Module) bietet die Einfachheit und die Kunst von Spannungs- und Druckstrukturen. Der Text von P. Pearce mit dem Titel „Structure in Nature is a Strategy for Design", MIT Press, Cambridge, MA, 1990 (ISBN: 0-262-66045-8) beschreibt die Natur von Strukturen und die Entdeckung der Platonic Solids. Plato war in der Lage, die Natur der Strukturen und die Struktur der Natur (eine Zweiheit) zu bestimmen, indem er natürlich stattfindende Strukturen beobachtete, wie z.B. Spinnennetze. Auf dieser Grundlage konnte Pearce mehr Naturphänomene dokumentieren (Seifenblasen, Libellenflügel und zersprungenen Schlamm), um Energieminimierung während der Zustandsänderung ermitteln zu können. Die Annahme ist hier, dass die Natur das energie-sparendste Verfahren verwendet. Von diesen Annahmen und einem Verständnis von Druck und Belastung in den strukturellen Bauteilen (Säulen und Balken), war er fähig, eine einmalige Lösung für einfache, dauerhafte, hochfeste Strukturen zu präsentieren. Aus diesen Schlussfolgerungen schlug er eine Familie von wohnbaulichen, kommerziellen und industriellen Strukturen vor, die sowohl ästhetisch gefällig und funktional sind.
7 zeigt einen einfachen Vierflächler als eine viereckige, sechskantige Bauteilstruktur, während 8 ein inneres (dreibeiniges) System von vier Streben 81–84 zeigt, mit denen eine selbststabilisierende Struktur eines Vierflächlers der 7 hergestellt werden kann, indem die vier Eckpunkte der Streben mit den gespannten Verbindungen 85 verbunden werden. 9 zeigt einen einfachen Achtflächler (der 6-eckpunkte, 12-Kanten und 8-Oberflächen hat) – während die 10 den Achtflächler aus 9 zeigt, der um sein Zentrum gedreht ist und so eine 3-3 Plattform ähnliche Struktur herstellt, die ein Paar von oberen und unteren dreiseitige Plattformen 91 und 92 hat, die in parallelen Ebenen durch sechs stützende Streben dazwischen unterstützt werden. 11 zeigt die 3-3 Plattform, ähnlich dem Achtflächler aus 10, wobei die jeweils abwechselnden der sechs unterstützenden Streben durch Bänder ersetzt wurden. In diesen Darstellungen kann erkannt werden, dass eine entfaltete selbststabilisierende Struktur umgesetzt werden kann, wenn die für eine Plattform mathematischen Berechnungen der Bewegungslehre angewendet werden, um die parallelen Streben zwischen einer oberen Plattform und einer unteren Basis zu verändern.
Eine reguläre polygonbasierte Plattformstruktur zur Entfaltung und zur Unterstützung einer energielenkenden Oberfläche, wie einer parabolischen Funkwellenantenne, ist so gestaltet, dass der niedrigste Energiezustand der Plattformstruktur in einer selbststabilisierenden Position liegt. Für den Zweck eines nicht einschränkenden anschaulichen Beispiels wird die vorliegende Erfindung für den Fall eines regulären Sechs-Polygons oder Sechsecks für jede Plattform und Basis der selbststabilisierenden Strukturen beschrieben, die einem 6-6 parallelen Plattform Gerüst entspricht. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die Erfindung nicht auf den Gebrauch mit einem Polygon einer bestimmten Anzahl von Seiten limitiert ist. Wenn im Einklang mit den fundamentalen Prinzipien der Geometrie die Anzahl Seiten eines Polygons vergrößert werden, neigt der Umfang des Polygons dazu, eine kreisförmige Struktur zu erlangen. Im Hinblick auf eine praktische Anwendung stellt eine 6-6 Struktur eine vernünftige Anzahl von unterstützenden Druckbauteilen und Verbindungspunkte für ein faltbares, reflektierendes Medium zur Verfügung, die die reflektierende Antennenoberfläche bildet.
Aufmerksamkeit wird nun auf 12 gerichtet, die eine schematische perspektivische Ansicht einer selbststabilisierenden Position einer 6-6 Struktur ist, die eine sechseckige Plattform 111 entfaltet, die aus einer Vielzahl von gespannten Verbindungen besteht, in Bezug zu einer sechseckigen Basis 112, die auch aus einer Vielzahl von gespannten Verbindungen gebildet ist. In der 12 stellen die gestrichelten Linien die (gespannten) Verbindungen dar und die durchgehenden Linien die (Druck-)Streben. Die Stabilität dieser Struktur setzt voraus, dass die Summe der Verbindungskräfte der Summe der Druckkräfte der Streben entspricht, so dass die Eckpunkte der Plattform 111 mit den Eckpunkten der Basis 113 miteinander verbunden sind.
Ein Verständnis der 6-6 selbststabilisierenden Plattformstruktur von dieser Erfindung kann erleichtert werden, indem man zuerst die geometrischen Eigenschaften einer 3-3 parallelen Plattform untersucht, die als schematische Draufsicht in der 13 dargestellt und z.B. in einem Artikel von J. Lee und weiteren Verfasern mit dem Titel „A Practical Quality Index based on the Octahedral Manipulator", International Journal of Robotics Research im Oktober 1998, Seiten 1081–1090, beschrieben ist. Die Berechnungen für den Qualitätsindex LAMBDA für die Linienkoordinaten der 3-3 Plattform sind mit einer 6-6 Matrix bestimmt. Die Seitenlänge der Plattform ist ,a', die Basis ist ,b' und die Höhe der (dreiseitigen) Plattform 121 über der (dreiseitigen) Basis 121 ist ,h'. Die Determinante det J| für diese 6-6 Matrix (die man durch die normale Beinlänge dividieren muss, um die Linienkoordinaten zu normieren) wird sofort berechnet, wie es in der nachstehenden Gleichung (1) dargelegt wird:
GLEICHUNG (1)
Indem man diese Gleichung verändert, muss man den Nenner in Bezug auf h ableiten und mit Null gleichsetzen (um Minimum-/Maximumwerte zu erhalten), ein Maximumwert h ist abgeleitet, wie das mit der Gleichung (2) gezeigt wird:
GLEICHUNG (2)
Indem man die Gleichung (2) in die ursprüngliche Determinante einsetzt, wird der Maximumwert det J|_m erhalten, wie es in der nachstehenden Gleichung (3) dargelegt wird:
GLEICHUNG (3)
Ein neuer Ausdruck für die Maximumdeterminante wird gebildet, indem man b = τa ersetzt. Indem man in Bezug auf τ ableitet, erhält man das maximierte Verhältnis von b/a und h/a: τ = b/a = 2; h/a = 1. Diese Werte sind ähnlich denen, die für die 6-6 Plattform angeleitet sind, was hiernach beschrieben wird.
14 zeigt eine Draufsicht der 4-4 parallelen Plattform als ein viereckiges Anti-Prisma. (wie es oben beschrieben ist, ist eine 3-3 parallele Plattform ein Achtflächler; eine 5-5 parallele Plattform ist ein fünfeckiges Anti-Prisma.) Die Berechnungen des Qualitätsindexes für eine 4-4 parallele Plattform der 14 sind denen ähnlich für eine 3-3 Plattform der 13. Jedoch ist die Determinante nicht so einfach berechenbar, da die 4-4 Linienkoordinaten eine 6 × 8 Matrix hervorbringen. Um die Berechnung zu quadrieren, beinhaltet der Index das Resultat der Matrix und ihre Transformation, wie es in der Gleichung (4) gezeigt wird.
GLEICHUNG (4)
Diese Methode ist abgeleitet von der Cauchy-Binet Theorie, in der detJ·J^T = Δ₁ ² + Δ₂ ² + ... + Δ_nm ² ist. Für irgendeine 6 × n Matrix findet diese Methode Anwendung. Wie mit der 3-3 Plattform in 13, kann die Determinante wie es in der Gleichung (5) gezeigt ist, berechnet werden:
GLEICHUNG (5)
Indem man den Nenner in Bezug auf h ableitet, kann man den Maximumwert h_m berechnen, wie es in der nachfolgenden Gleichung (6) dargestellt ist.
GLEICHUNG (6)
Indem man das oben beschriebene τ Verfahren anwendet, kann man folgende Verhältnisse entwickeln τ = b/a – 2^1/2; h/a – 2 = y^–1/2.
Wie es oben kurz beschrieben wurde, ist eine 6-6 parallele Plattform (sechseckiges Anti-Prisma) die Basis für diese entfaltbare Antennenstruktur der vorliegenden Erfindung. Indem am die zuvor abgeleiteten mathematischen Berechnungen anwendet, können ähnliche Qualitätsindexwerte entwickelt werden, so dass man die Stabilität der 6-6 Struktur bestimmen kann, wenn es sich in einer Gleichgewichtsposition befindet. Wie mit der 4-4 Plattform in 14 wird die Cauchy-Binet Theorie verwendet, um den Index zu bestimmen. Sobald die mathematischen Berechnungen bestimmt sind, kann der Einsatz der 6-6 Antennen beschrieben werden.
15 zeigt eine perspektivische Ansicht einer 6-6 parallelen Plattform in einer rotierenden Position versetzt von der Position im selbststabilisierenden Zustand, wie in 12 gezeigt und oben erwähnt. Wie es in 15 gezeigt wird, hat eine 6-6 parallele Plattform eine obere sechseckige ebene Plattform 141, die von einer Vielzahl von gespannten Verbindungen 151 gebildet wird, die parallel zu einer unteren sechseckigen ebenen Basis 142 aufgereiht sind, die auch von einer Vielzahl von gespannten Verbindungen 152 gebildet werden. Die Eckpunkte der beiden sechseckigen Reihen sind miteinander durch einen Satz von zwölf grundsätzlich vertikalen Beinen S verbunden, von denen die Hälfte aus Zügen bestehen und die andere Hälfte aus gespannten Verbindungen. Diese Struktur biete 6 Freiheitsgrade, wobei die Züge steuerbar justiert werden können, um Rahmen eines Antennenoberflächenuntersystem zu schaffen, die durch eine 6-6 parallele Plattform unterstützt werden, wie es noch beschrieben wird.
Eine Draufsicht der 6-6 parallelen Plattformstruktur aus den 12 und 15 wird in 16 gezeigt. Die Koordinaten der Eckpunkte der Verbindungen 151 der Plattform 141 gehen von A bis F, während die Koordinaten der Eckpunkte der Verbindungen 152 der Basis 142 mit G_A bis G_F bezeichnet sind. Das erste Spannungsbauteil Segment ist mit S₁ (dicke Linien) bezeichnet, und erstreckt sich zwischen (Basis) Eckpunkt G_A und (Plattform) Eckpunkt A. Wenn man um die 6-6 parallele Plattformstruktur geht, erstreckt sich das letzte oder zwölfte Spannungsbauteil Segment S₁₂ zwischen dem Basiseckpunkt F und dem Plattform Eckpunkt G_A. Alle diese Koordinaten der Basis sind fest (keine Bewegungen möglich), und alle z oder vertikale Achsenwerte sind gleich Null (0). Die Werte für die Koordinaten der Basis sind im Anhang 1 dargestellt, während die Linienkoordinaten für die Plattformeckpunkte an der neutralen Position (die zwölf Beine sind alle von derselben nominellen Länge) im Anhang 2 dargestellt sind.
Von dem oben erwähnten Artikel von Lee und anderen, und eines Artikels von B. Knight mit dem Titel „An Analysis of Special Redundant Motions for a Square Platform", CIMAR Paper, Juni 1998, kann ein Satz von Plucker Matrizen bestimmt werden. Wie es im Anhang 3 dargestellt ist, um einen Satz von (L, M, N, P, Q, R) Plucker Koordinaten für die zwölf Beine S¹–S¹² bereitzustellen. Die normalisierten Plucker Koordinaten wurden bestimmt, indem der berechnete Wert durch die nominellen Beinlängen für die neutrale Position geteilt wurde, wie es in der Gleichung (7) definiert wird.
GLEICHUNG (7)
Die J Matrix, die die Plucker Koordinaten für die zwölf Beine beinhaltet, ist eine 12 × 6 Reihe, wie es im Anhang 4 dargestellt ist. Die Transformation J^T ist im Anhang 5 dargestellt.
Die Gleichung (8) zeigt, dass die Berechnung des Optimierungswertes für die 6-6-J Matrix (nicht symmetrisch) ähnlich ist zu der für die 4-4 Plattform Lösung ist, die als 3-3 Plattform bekannt ist.
GLEICHUNG (8)
Für dieses Beispiel sind die Resultate der J und J^T Matrizen berechnet, wie in der Gleichung (9).
GLEICHUNG (9)
Wie es in der Gleichung (10) gezeigt wird, ist h ausdrückbar als eine Funktion von a und b wie:
GLEICHUNG (10)
Wenn man die Gleichung (10) in der obigen einsetzt, werden die Gleichungen (11) und (12) eingebracht wie folgt:
GLEICHUNG (11)
GLEICHUNG (12)
Dieses bringt Δ als eine Funktion von a und b wie
GLEICHUNG (13)
Von der Gleichung (13) wird die optimierende Lösung berechnet, indem b = τa ersetzt wird. Die kombinierten Matrizen sind in der Gleichung (14) vereinfacht wie:
GLEICHUNG (14)
Durch die Ableitung in Bezug auf τ können Maximum und Minimumwerte berechnet werden, wie in der Gleichung (15) gezeigt wird, die die Lösung für die stabilste Geometrie für eine 6-6 Plattform ergibt.
GLEICHUNG (15)

wobei: τ = 2/3^1/2 = b/a; h = a/3^1/2; und b = 2a/3^1/2.

Wie zuvor beschrieben, handhabt die vorliegende Erfindung die Züge der 6-6 parallelen Plattformstruktur, indem ein schraubenbasierender Positionierantrieb verwendet wird, um die Drehung und die Neigung des Gerüstes im selbststabilisierenden Zustand steuerbar zu justieren und dabei ein oder mehr Eigenschaften der unterstützten energiebündelnden Oberfläche zu entfalten und einzustellen. Während diesem schraubenbasierenden Bewegungsvorgang der Züge S¹–S¹², wobei die untere Basis 143 fest bleibt, während die obere Plattform 141, und an der der Umfang der Antennenoberfläche befestigt ist, gedreht und achsenförmig entlang der Schrauben z Achse versetzt wird, so dass sie sich wirksam entlang einer Schraube mit veränderlicher Steigung h bewegt. Anhang 6 beinhaltet Beziehungen, die mit dieser Schraubenbewegung der Geometrie eines Achtflächlers zugeordnet ist, wie es von J. Duffy und weiteren Verfassern in „An Investigation of some Special Motions of an Octahedron Manipulator Using Screw Theory" beschrieben ist, einer Publikation in Bearbeitung und im Dezember 1977 veröffentlicht wurde. Zweckmässigerweise ist diese schraubenartige Bewegung schnell hergestellt, indem man einfach jeden Zug dieselbe schrittweise Zu- und Abnahme in der Länge verleiht. Stetigkeit erfordert, dass die Koordinaten (um den Kreis definiert) die Summe Null ergeben. Und zwar wie in den Gleichungen (16) und (17) gezeigt: XA + XB + XC + XD + XE + XF = 0 (16) YA + YB + YC + YD + YE + YF = 0 (17)
Ähnlich zu den oben genannten Texten, die Achtflächler und viereckige Plattform Papiere detailliert beschreiben, ist der Radius vom Zentrum der 6-6 parallelem Plattformstruktur zu den Plattformkoordinaten gleich zu der Länge der Plattformseite. Indem man die Basis und die zuvor bestimmten Plattformkoordinaten verwendet, werden die Plucker Linien Koordinaten berechnet, indem man Grassman's Prinzip anwendet durch das Zusammenzählen der 2 × 2 Determinanten von jeden der 2 × 4 Reihen, die im Anhang 7 dargestellt wurden. Die Plucker Koordinaten werden bestimmt durch die Determinanten im Anhang 8. Von diesen Werten kann die Transferweite der Jakobinischen Matrix im Anhang 9 erhalten werden. Die Plucker Koordinaten bestimmen die Länge der Beine für diese Struktur, wie es im Anhang 10 dargestellt wird.
Ähnlich wie in der 6-6 parallelen Plattformstruktur sind die angrenzenden Beine von gleicher Länge und können durch die folgende Gleichung (18) bestimmt werden:
GLEICHUNG (18)
Indem dieselben Prinzipien angewandt werden, kann die Schraubenbewegung dieser Struktur schnell bestimmt werden, wie es in den Gleichungen (19) und (20) dargestellt ist: δ1 = j·TδD (19) δ1i = S ^1·TδD = S ^i·TδD/1i (20)
Die Werte für die Summen der L, M, P und Q Koordinaten sind bestimmt, wie es im Anhang 11 dargestellt ist, und sind gleich Null; Die Werte der N und R Summen, die auch im Anhang 11 bestimmt sind, sind nicht gleich Null. Das zweite Paar von Beinen wird ähnlich summiert, wie es in den Gleichungen (21)–(26) dargestellt ist.
L2 + L4 + L6 + L8 + L10 + L12 = 0 (21) M2 + M4 + M6 + M8 + M10 + M12 = 0 (22) P2 + P4 + P6 + P8 + P10 + P12 = 0 (23) Q2 + Q4 + Q6 + Q8 + Q10 + Q12 = 0 (24) N2 + N4 + N6 + N8 + N10 + N12 = 0 (25) R2 + R4 + R6 + R8 + R10 + R12 = 3br(31/2sinΦz + cosΦz) (26)
Für das ungerade Bein 1°, wobei man die ersten, dritten, fünften, und siebten, neunten und elften Reihen der Matrix addiert, und die Ausdrücke für die Koordinaten ersetzt, ergibt es die Gleichung (27), in der z den Wert für h ersetzt. 610δ10 = (N1 + N3 + N5 + N7 + N9 + N11)δz + (R1 + R3 + R5 + R7 + R9 + R11)δΦz = 6zδz + 3br(31/2sinΦz + cosΦz), so dass 10δ10 = zδz + (br/2)·(31/2sinΦz + cosΦz) (27)
Die Berechnung für die geraden Beine ergibt ein ähnliches Resultat, wie es in der Gleichung (28) dargestellt ist. leδle = zδz + (br/2)·(31/2sinΦz + cosΦz) (28)
Mit der Hälfte der Anzahl Beine (z.B. die ungeraden Beine S₁, S₃, S₅, S₇, S₉ und S₁₁), die durch die gespannten Verbindungen ersetzt werden, verbleiben die geraden nummerierten Beine als Züge (S₂, S₄, S₆, S₈, S₁₀ und S₁₂, die keine Verlagerung haben). Für diese Bedingung ist die linke Seite jeder der Gleichungen (27) und (28) gleich Null, und deshalb reduziert zu den Funktionen von Rotation und Verlagerung, wie es in der Gleichung (29) gezeigt wird. zδz = –(br/2)·(31/2sinΦz + cosΦz) (29)
Die Neigung p wird bestimmt in der Gleichung (30) als das Verhältnis eines linearen z Wechsels zur Drehung um die z Achse. p = δz/δΦz (30)
Dies ergibt die Neigungsgleichung (31) p = δz/δΦz = –(br/2z)·(31/2sinΦz + cosΦz) (31)
Die in den Gleichungen (32) und (33) gezeigte Integrationsoperation ergibt die z Berechnung, und zeigt, dass die ungerade nummerierten Beine steuerbar verändert werden können, um eine relative z/z Bewegung oder Neigung durchzuführen.
z2 = z0 – br{31/2(cosΦz + 1) – sinΦz} (33)
17 zeigt die Drehung der 6-6 parallelen Plattformstruktur aus den 15 und 16 im selbststabilisierenden Zustand. Für das vorliegende Beispiel ist jedes andere (gerade nummeriertes) Bein der Struktur ein Zug, während die restlichen (ungerade nummerierten) Beine dazwischen durch gespannte Verbindungen ersetzt wurden. Wie oben aufgezeigt wurde, tritt der selbststabilisierende Zustand dann ein, wenn alle Züge (S₂, S₄, S₆, S₈, S₁₀ und S₁₂) in einem Druckzustand sind, und alle Verbindungen (S₁, S₃, S₅, S₇, S₉ und S₁₁) in einem Spannungszustand sind. Die Züge (S₂, S₄, S₆, S₈, S₁₀ und S₁₂) könne nicht in einem Spannungszustand sein, da sie nur mit dehnbaren Gliedern gekoppelt sind (Verbindungen 151, die die sechs Seiten der Plattform 141 bilden, und die Verbindungen 152, die sechs Seiten der Plattform 142 bilden und die Verbindungen (S₁, S₃, S₅, S₇, S₉ und S₁₁).
18 stellt schematisch ein parabolisch gestaltetes, reflektierendes Netz 170 dar, das von einer Anordnung von Zügen 171 und Verbindungen 172 unterstützt wird, während 19 eine Schnittdarstellung der 18 ist, in der die unterbrochenen Linien die Art und Weise zeigt, mit der die Parabolische Form des reflektierenden Netzes 170 der Antenne leicht und geometrisch an einer hyperboloiden Form 175 angrenzt, die durch die Druckbauteile und Verbindungen der selbststabilisierenden Struktur erzielt wird. Das Antennennetz 170 kann leicht an die 6-6 parallele Plattformstruktur mit Hilfe von Befestigungsmaterialien, die gewöhnlich für im Weltraum entfaltende Strukturen verwendet werden, an einer Vielzahl von Punkten entlang seines kreisförmigen Umfangs zu den sechs Eckpunkten A–F der Plattform angeschlossen werden.
Jedes der Druckbauteile (S₂, S₄, S₆, S₈, S₁₀ und S₁₂) ist mit elektromagnetischen Antriebsverbindungen steuerbar und drehbar veränderlich, die mit einem Zugbetätigungsuntersystem 154 verbunden sind, so dass eine Schraubbewegung um die zentrale Längsachse 150 durchgeführt werden kann. Wie oben beschrieben wurde, dient diese Schraubbewegung dazu, um sowohl die Trennung oder den Abstand z zwischen er oberen Verbindungsplattform 141 und der unteren Verbindungsbasis 142, als auch ihre gegenseitige Differentialdrehung um die Achse 150 abzuwechseln, und dabei entfaltet sich die Struktur und das angebrachte Antennennetz 170 aus ihrer verstauten Lage in ihre beabsichtigte Geometrie des selbststabilisierenden Zustands.
Wie schon früher beschrieben wurde, sind entscheidende Parameter, die mit einer erfolgreichen Entfaltung einer (parabolischen) Antenne verbunden sind, die Unschärfe, Fehlpositionierung und Oberflächenrauheit. Da die vorliegende Erfindung eine Steuerung der kinematischen Bestandteile der parallelen Plattform ermöglicht, im Besonderen der Positionierung der Druckbauteile (S₂, S₄, S₆, S₈, S₁₀ und S₁₂), können feinabstimmende Anpassungen der Züge durch irgendeinen oder alle dieser Parameter gemacht werden, um der Beschreibung der Antennenwirkung zu entsprechen.
Die Problematik der Unschärfe wird mit der Analyse der Einsenkungen der strukturellen Bestandteile behandelt, unter der Annahme, dass ständige Fehler dem Antennenuntersystem innewohnen, wenn es einmal entfaltet ist. Für eine gegebene Reflektoroberfläche ist eine zugehörige Abweichung für ein besonderes Design begründet (z.B. ein L-Band kommerzielle Antenne, die eine Oberflächengenauigkeit in Mikrometern verlangt). Die anfänglichen Positionen der Streben können, wenn es notwendig ist, verändert werden, die Geometrie der Größe der Reflektorantenne zu steuern.
Fehlpositionierung hat mit dem Problem einer ungenauen Geometrie der ausreichenden parabolischen Oberfläche zu tun, wodurch die Energie zu einem falschen Brennpunkt geleitet wird. In Wahrheit ist der theoretische Brennpunkt wegen der Problematik des Energiemanagements mit den RF Sender/Empfängern eine tatsächliche Brennebene. Die Fähigkeit, die Positionen der Züge zu steuern, ermöglicht der Anpassung der Oberflächengeometrie, die RF Energie innerhalb der Grenzen dieser Ebene zu richten.
Oberflächengenauigkeit hängt von den Eigenschaften der reflektierenden Oberfläche ab, wie z.B. aber nicht limitiert auf, nicht-linearen Steifigkeit und reflektierendem Netzoberflächenmaterial. Die Positionierung und die Steuerung des Reflektormaterials durch Anpassung der Feineinstellung der Zugunterstützungsstruktur und/oder der gespannten Verbindungen kann verwendet werden, um einen Ausgleich für die Eigenschaften des Oberflächenmaterials zu ermöglichen. Ein Artikel von Z. You mit dem Titel „Displacement control of prestressed structures", Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, Ausgabe 144, Seiten 51–59, 15. März 1997, beschreibt Hilfsprogramme zur Berechnung von Bewegungen für vorbelastete Verbindungen durch den Einsatz von flexiblen Verbindungen.
Eine besonders förderliche Eigenschaft dieser Erfindung ist die Verwendung von schraubenbasierender Differenzialachsenpositionierbewegung für eine Plattformstruktur in Bezug auf eine Basisstruktur des Gerüstes, die es der Antennenreflektoroberfläche ermöglicht, die RF Energie zu jeweils verschiedenen Punkten zu leiten. Dieses ermöglicht es, verschiedene Empfänger in der unmittelbaren Nachbarschaft der nominalen Brennpunkte zu positionieren, um verschiedene Richtstrahlen zu verschiednen Frequenzen zu diesen Empfängern leiten zu können.
Das Verstauen innerhalb der Hülle oder der Blende des Startfahrzeuges muss auch zusammen mit der obigen Problematik der Antennenperformance berücksichtigt werden. Augenblicklich werden Antennenuntersysteme mit einer zusätzlichen Ausfaltmöglichkeit entlang der Züge entworfen. Dies heißt, dass eine Antenne mit einem Durchmesser von 20 Metern eine maximale Ladevermögensdichte von ungefähr 5 Metern Höhe und mehreren Metern im Durchmesser haben könnte. Die Anwendung von einer minimalen Anzahl von starren Elementen (hier sechs Streben, die man als Bestandteil eines Teleskops gestalten kann) ermöglicht den heutigen Verpackungsmodellen, die Staukapazität für einen begrenzten Raum in einem Raumfahrzeug zu maximieren.
Wie in den 20 und 21 schematisch illustriert, können die Streben und Verbindungen, um das Stauvermögen zu erleichtern, mittels einer Rolle 181 entfaltet werden, die an den äußeren Enden einer Strebe 180 befestigt ist. Der Zug ist als ein hohles Rohr ausgeführt, das so groß gestaltet ist, um (drei) Verbindungen anzunehmen und zu verstauen (das einem angrenzenden (ungeraden) Bein S_0i. entspricht, und zwei verbundenen Verbindungen 151 der Plattform 141), die sich innerhalb der Streben exakt entlang des Pfeilweges in 21 entfaltet. Diese einfache jedoch haltbare Lösung löst das Problem von variablen Längen der Verbindungen für Spezialantennendesigns, solche wie auch mit vielseitigen Empfangszentren (Brennpunkten auf dem parabolischen Antennenoberfläche). Die Basis einer Strebe 180 wird aus einem revolutem Gelenk 180 gebildet, um sicher zu sein, dass nur translaterische Einschränkungen möglich sind.
Indem man die Vorteile der strukturellen und stabilen Eigenschaften einer selbststabilisierenden Struktur nutzt, ist die vorliegende Erfindung im Stande, sehr kompakt verstaut zu werden, eine energiebündelnde Oberfläche zu entfalten und zu unterstützen wie z.B. ein faltbares, leitfähiges Material für eine Funkwellenantenne. Indem darüber hinaus die Züge der sich selbststabilisierenden Struktur an eine schraubenbasierende Entfaltung und an eine Positionierbewegung gekoppelt sind, kann die Neigung und die Form der unterstützten energiebündelnden Oberfläche steuerbar justiert werden, um Korrekturen für Unschärfe, Fehlpositionierung und Oberflächenrauheit zu kompensieren.
Schraubenbasierende, selbststabilisierende unterstützenden Antennenarchitektur zur Entfaltung bei einer steuerbaren Justierung der energiebündelnden Oberfläche. Wie eine RF-Wellen reflektierendes, leitfähiges Netz. Mit einer 6-6 parallelen Plattformstruktur wird eine obere sechseckige Plattform und eine untere sechseckige Basis und die Umfangsgeometrie einer jeden durch mehrere gespannte Verbindungen, die miteinander verbunden sind, bestimmt. Die Eckpunkte der sechseckigen Verbindungsbasis und der sechseckigen oberen Verbindungsplattform sind mit Paaren von Beinen miteinander verbunden, wobei jedes ein Druckbauteil und ein Spannungsbauteil einschließt. Die Stabilität der Struktur verlangt, dass die Summe der Kräfte der Spannbauteile der Summe der Kräfte der Druckbauteile entspricht. Um die Entfaltung aus der verstauten Lage und die geometrischen Parameter der RF reflektierenden Oberfläche zu steuern, ist ein schraubenbasierendes Positionierbewegungssystem auf den Zügen befunden, um eine jeweilige beiderseitige Abwechslung und Neigung zwischen der oberen Plattform und der unteren Basis zu bestimmen. Die RF reflektierende Oberfläche wird durch eine Anordnung von Schnüren und Verbindungen unterstützt, die an Punkten entlang des kreisförmigen Umfangs zu den sechs Eckpunkten an der Plattform der parallelen Plattformstruktur befestigt werden.

Claims

Ein Verfahren zum Entfalten eines antennenunterstützenden Gerüstes durch Verbesserung einer schraubenbasierenden, Differenzialachsenpositionierbewegung für eine Plattformstruktur in Bezug auf eine Basisstruktur des Gerüstes, um ein faltbares radiowellenreflektierendes Material in eine Antenne zu entfalten, wenn das Gerüst in einem selbststabilisierenden Zustand aufgestellt wird, während das faltbare radiowellenreflektierende Material in eine vorgegebene Antennenoberflächengeometrie entfaltet wird, in welcher das unterstützende Gerüst ein erstes Spannbauteils, welches als Polygon (154) gebildet ist und ein zweites Spannbauteil, welches als Polygon (152) gebildet ist, aufweist, wobei jede Ecke des ersten Polygons mit einem entsprechenden Spannungsbauteil verbunden ist und ein Druckbauteil im Bereich der Eckpunkte des zweiten Polygons angeordnet ist und jede Ecke des zweiten Polygons mit einem entsprechenden Spannungsbauteil verbunden ist und ein Druckbauteil im Bereich der Eckpunkte des ersten Polygons in der Art angeordnet ist, dass die Druckbauteile mit den Spannungsbauteilen zwischen den ersten und zweiten Polygonen abwechseln, wobei entgegengesetzte Enden jedes Druckbauteils mit nur einem Spannungsbauteil verbunden sind und die Strukturen in diesem selbststabilisierenden Zustand so anordnet sind, dass die Summe der Spannungskräfte in den Spannungsbauteilen der Summe der Druckkräfte in den Druckbauteilen entspricht, und in welchem bevorzugt jedes der ersten und zweiten Polygone ein Sechseck aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenoberflächengeometrie ein parabolisch geformtes, reflektierendes Netz (170) bildet, welches durch die Anordnung von Zügen (171) und Verbindungen (172) unterstützt wird und eine Feinausrichtung zu einer parabolischen Form durch die unterstützenden Druckbauteile und/oder Spannungsbauteile bereitgestellt wird.
Eine Antenne, welche eine Struktur aufweist, die so angepasst ist, dass sie selbststabilisierend durch Einbringung einer schraubenbasierenden Differenzialachsenpositionierbewegung und durch das Entfalten eines faltbaren radiowellenreflektierenden Materials in eine Antennenoberflächengeometrie ist, in welcher diese Struktur ein erstes Spannungsbauteil, welches als Polygon (151) gebildet ist, und ein zweites Spannungsbauteil, welches als Polygon (152) gebildet ist, aufweist, und welche in einer parallelen Beziehung zu dem ersten Polygon, den Eckpunkten (A, B, C, D, E, F) des ersten Polygons, welche durch ein Spannungs- und Druckbauteil (S₁, S₂, S₃, S₄, S₅, S₆, S₇, S₈, S₉, S₁₀, S₁₁, S₁₂) mit den Eckpunkten (G_A, G_B, G_C, G_D, G_E, G_F) des zweiten Polygons verbunden sind und einer Strukturbedienung, welche die Betätigung der Schraubenbewegung auf die Druckbauteile (S₂, S₄, S₆, S₈, S₁₀, S₁₂) bewirkt, um eine axiale Verstellung mit einer Vielzahl relativer Rotationen zwischen dem ersten und zweiten Spannungsbauteil, welche als Polygone gebildet sind (151; 152), zu bewirken und hierdurch die Struktur in einen selbststabilisierenden Zustand bringt, wobei jede Ecke (A, B, C, D, E, F) des ersten Polygons (151) entsprechend mit einem der Spannungsbauteile (S₁, S₃, S₅, S₇, S₉, S₁₁) verbunden sind und eines der Druckbauteile (S₂, S₄, S₆, S₈, S₁₀, S₁₂), welche in der Nähe der Ecken (G_A, G_B; G_B, G_C; G_C, G_D; G_D, G_E; G_E, G_F; G_F, G_A) des zweiten Polygons (152) angeordnet sind und jede Ecke (G_A, G_B, G_C, G_D, G_E, G_F) des zweiten Polygons (152) entsprechend mit einem der Spannungselemente (S₁, S₃, S₅, S₇, S₉, S₁₁) verbunden sind und eines der Druckbauteile (S₂, S₄, S₆, S₈, S₁₀, S₁₂) in der Nähe der Eckpunkte (A, F; B, A; C, B; D, C; E, D; F, E) des ersten Polygons (151) in der Art angeordnet sind, so dass sich die Druckbauteile mit den Spannungsbauteilen zwischen den ersten und zweiten Polygonen abwechseln, wobei entgegengesetzte Enden jedes Druckbauteils mit nur einem Spannungsbauteil verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Entfalten der Antennenoberflächengeometrie ein parabolisch gestaltetes, reflektierendes Netz (170) gebildet wird, welches durch das Bilden der Antennenoberflächengeometrie in einen parabolisch gestalte ten, reflektierenden Netz (170) geformt wird, welches durch die Anordnung von Zügen (141) und Verbindungen (172) unterstützt wird und eine Ausrichtung der Ecken der parabolischen Form durch die Druckbauteile und/oder die Spannungsbauteile bereitgestellt wird, wenn das Strukturbedienteil der Antennenstruktur in dem selbststabilisierenden Zustand angeordnet wird.