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Die
Erfindung betrifft das Gebiet der Raumflugkörper und insbesondere die Vorrichtungen,
die zum Abführen
der Wärme
verwendet werden, die von bestimmten Komponenten (oder Anlagen),
die sich an Bord derartiger Flugkörper befinden, erzeugt wird.
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Wie
der Fachmann weiß,
umfassen bestimmte Raumflugkörper
Komponenten wie Wanderfeldröhren,
die dafür
verantwortlich sind, auszusendende Signale zu verstärken. Diese
Wanderfeldröhren
erzeugen eine große
Menge an Wärme,
deren Ableitung in den Raum unerlässlich ist. Dazu wurde zuallererst
vorgeschlagen, die Körper
der Wanderfeldröhren
mit einer Strahlungsplatte, die dafür verantwortlich ist, die Wärme in den
Raum abzustrahlen, durch Wärmeübertragungsvorrichtungen
wie Wärmerohre
oder Rohre zur Zirkulation eines Wärmeübertragungsfluids thermisch
zu koppeln.
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Da
dies nicht genügt,
wurde anschließend insbesondere
im Dokument
US 5 862 462 vorgeschlagen,
den Körper
von jeder Wanderfeldröhre
mit einem Kollektor zu koppeln, der mit einem Hochtemperaturstrahler
versehen ist, der dafür
verantwortlich ist, die Wärme
in den Raum abzustrahlen. Da die Strahler voneinander unabhängig sind,
sind die Röhren
von einem Strahlungsgesichtspunkt quasi voneinander unabhängig, was
nicht günstig
ist, was die Abführung,
die Umgebung und die Betriebsart betrifft. Diese Art der thermischen
Abführung
ermöglicht
es, ungefähr
50% der in der Sättigungsbetriebsart
erzeugten Leistung in den Raum abzuführen.
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Dies
ist in Anbetracht der ständig
zunehmenden Leistung, die abgeführt
werden muss, nicht zufrieden stellend, welche mit der Zunahme der
Komplexität
der Gestaltungen, insbesondere an den Ost-West-Flächen der
Raumflugkörper
(Anwesenheit von großen
Antennenreflektoren und ihren Trägermechanismen
(oder HRMs für "Hold an Release Mechanism"), von Sende-/Empfangsquellen
mit großen
Abmessungen und zugehörigen
Strahlern, von Düsenträgern, benachbarten
Kollektoren usw.), im Allgemeinen Hand in Hand geht, was den Wirkungsgrad
des Strahlungsaustauschs mit dem Raum beträchtlich verringert.
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Mit
anderen Worten, aufgrund dessen, dass die Wärmeabführung unzureichend ist, muss
jeder Raumflugkörper
in Anbetracht der technologischen Begrenzungen seiner Wanderfeldröhren Gegenstand
einer spezifischen Konfiguration und/oder einer Begrenzung der HF-Leistung
seiner Nutzlast sein.
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Außerdem erlegt
die vorstehend dargestellte Abführungsart
eine zugeschnittene Umgebung für jede
Wanderfeldröhre
bei Tests der an Bord genommenen Anlagen auf.
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Diese
alternativen Vorrichtungen sind in
EP
0 687 627 vorgeschlagen, die als nächster Stand der Technik betrachtet
wird.
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Die
Erfindung hat folglich das Ziel, die Situation zu verbessern.
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Sie
schlägt
dazu eine Vorrichtung vor, die für die
Ableitung der Wärme
zugeschnitten ist, die von den Verstärkungsröhren eines Raumflugkörpers erzeugt
wird, und eine Strahlungsplatte umfasst, die im Wesentlichen in
der Ebene der Verstärkungsröhren installiert
ist und mit ihren Körpern,
eventuell über Wärmeübertragungsmittel,
thermisch gekoppelt ist, um einen Teil der wärme, die sie erzeugen, nach
außen
(in den Raum) abzustrahlen.
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Diese
Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Strahlungsauffang
(oder eine Strahlungsschiene) umfasst, deren Wände einen Aufnahmesitz definieren,
der die Kollektoren der Verstärkungsröhren aufnehmen
kann und mit den Kollektoren durch mindestens eine seiner Wände thermisch
gekoppelt werden kann, so dass die Wärme, die sie erzeugen, an dieser
Wand und zwischen den Kollektoren verteilt wird.
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In
dieser Weise funktionieren die Verstärkungsröhren gemäß zwei verschiedenen Leitungstemperaturen,
wobei die eine auf der Höhe
der Röhrenkörper mäßig ist
und die andere auf der Höhe
der Röhrenkollektoren
erhöht
ist, jedoch durch einen Strahlungsauffang, der mit den Kollektoren
thermisch gekoppelt ist, verteilt und gesteuert wird.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung umfasst die Vorrichtung vorzugsweise
mindestens ein erstes Mittel zur Verteilung von Wärme, das die
thermische Kopplung zwischen den Kollektoren und mindestens einer
der Wände
des Strahlungsauffangs sicherstellen kann und so beschaffen ist,
dass es die Wärme,
die die Kollektoren erzeugen, zwischen den Kollektoren und an der
Wand verteilt. Das erste Wärmeverteilungsmittel
kann beispielsweise zwischen die Kollektoren und eine der Wände des Strahlungsauffangs
eingefügt
werden. Aber es kann auch an der Außenseite des Strahlungsauffangs
(und in Kontakt mit diesem) angeordnet werden oder auch in diesen
integriert werden.
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Dies
ermöglicht
es, die Verteilung der Wärme zwischen
den Kollektoren und der Wand beachtlich zu verbessern und zu homogenisieren.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst der Auffang drei Wände,
die eine "Strahlungsrinne" vorzugsweise mit
im Wesentlichen U-förmigem
Querschnitt definieren. In diesem Fall ist es vorteilhaft, ein weiteres
Wärmeverteilungsmittel
vorzusehen, das vorzugsweise zwischen die Kollektoren und eine weitere
der drei Wände
des Auffangs eingefügt
wird und so beschaffen ist, dass es die Wärme, die die Kollektoren erzeugen,
zwischen den Kollektoren und an der anderen Wand verteilt. Wie im
Fall des ersten Wärmeverteilungsmittels kann
das zweite Wärmeverteilungsmittel
als Variante an der Außenseite
des Strahlungsauffangs (und in Kontakt mit diesem) angeordnet werden
oder auch in diesen integriert werden.
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Außerdem kann
jedes Wärmeverteilungsmittel
in Form mindestens eines Stabes aus einem wärmeleitenden Material oder
aus mindestens einem Wärmerohr
oder auch aus mindestens einem Rohr, in dem ein Wärmeübertragungsfluid
zirkuliert, verwirklicht werden.
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Außerdem wird
der Auffang vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das wegen
seiner thermischen und mechanischen Eigenschaften ausgewählt wird,
wie Aluminium.
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Gemäß einem
weiteren Merkmal der Erfindung wird der Auffang vorzugsweise mit
den Kollektoren direkt oder indirekt fest verbunden.
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Die
Erfindung erstreckt sich auch auf einen Raumflugkörper mit
Verstärkungsröhren und
mindestens einer Wärmeabführungsvorrichtung
des Typs des vorstehend dargestellten. Der Raumflugkörper umfasst
beispielsweise eine oder mehrere Wärmeableitungsvorrichtungen,
die mit Strahlungsauffängen
(oder Strahlungsschienen) versehen sind, die im Wesentlichen parallel
zueinander sind und sich im Betrieb in im Wesentlichen senkrechten
Ebenen zu einer Nord-Süd-Richtung
erstrecken, und/oder eine oder mehrere Wärmeabführungsvorrichtungen, die mit
Strahlungsauffängen
(oder Strahlungsschienen) versehen sind, die im Wesentlichen parallel
zueinander sind und sich im Betrieb in im Wesentlichen senkrechten
Ebenen zu einer Ost-West-Richtung erstrecken.
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Die
Erfindung ist besonders gut an die Raumflugkörper wie die Satelliten, insbesondere
Telekommunikationssatelliten, angepasst, aber sie kann auch an Beobach tungssatelliten,
Raumsonden, Orbitalstationen oder Raumschiffe angebracht werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung zeigen sich bei der Untersuchung
der nachstehenden ausführlichen
Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen,
in denen:
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1 ein
Prinzipdiagramm ist, das eine erfindungsgemäße Wärmeabführungsvorrichtung darstellt,
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2 eine
Schnittansicht entlang der Achse II-II von 1 ist, und
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3 in
schematischer Weise in einer Seitenansicht ein Ausführungsbeispiel
eines Teils einer erfindungsgemäßen Wärmeabführungsvorrichtung darstellt.
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Die
beigefügten
Zeichnungen können
nicht nur zum Vervollständigen
der Erfindung dienen, sondern auch gegebenenfalls zu ihrer Definition
beitragen.
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Die
Erfindung hat die Aufgabe, die Abführung eines großen Teils
der Wärme,
die von den Verstärkungsröhren erzeugt
wird, die sich an Bord eines Raumflugkörpers befinden, zu ermöglichen.
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Hier
wird unter einem "Raumflugkörper" jegliche Art von
Flugkörper
oder Fahrzeug verstanden, der/das im Raum, im Orbit (hoch, tief
oder geostationär)
zirkuliert oder von der Erdgravitationsanziehungskraft befreit ist
und dazu beschaffen ist, Signale zu senden, nachdem sie verstärkt wurden,
insbesondere die Satelliten, insbesondere Telekommunikations- oder
Beobachtungssatelliten, die Raumsonden, die Orbitalstationen oder
die Raumschiffe.
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Im
Folgenden wird als erläuterndes
Beispiel in Betracht gezogen, dass der Raumflugkörper ein Telekommunikationssatellit
ist.
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Ein
Telekommunikationssatellit umfasst Verstärkungsmittel, die dafür verantwortlich
sind, die auszusendenden Signale zu verstärken, bevor sie zu einer Erdstation übertragen
werden. Im Allgemeinen sind diese Verstärkungsmittel in Form von Verstärkungsröhren hergestellt,
wie Wanderfeldröhren
(oder TWT für "Traveling Wave Tubes") T des Typs derjenigen,
die in sehr schematischer Weise und teilweise in den 1 bis 3 dargestellt
sind.
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Eine
Wanderfeldröhre
T umfasst klassisch einen Körper
B beispielsweise mit einer im Allgemeinen parallelepipedischen Form,
der mit einem Kollektor C beispielsweise in Form eines Kegels oder
einer Schale oder auch eines Zylinders vorzugsweise über ein
thermisches Entkopplungselement DT verbunden ist. Die Verbindung
zwischen diesen drei Abschnitten der Röhre T kann durch jegliches
Mittel und insbesondere durch Schweißen, Kleben oder Verschrauben
erhalten werden.
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Der
Körper
B und der Kollektor C sind aus Materialien hergestellt, die gute
Wärmeleiter
sind, im Gegensatz zum thermischen Entkoppler DT, der wenig wärmeleitend
ist, um eine Art von thermischer Isolation zwischen dem Körper B,
der im Betrieb eine mäßige Temperatur
aufweist, und dem Kollektor C, der im Betrieb eine erhöhte Temperatur
aufweist, sicherzustellen. Der thermische Entkoppler DT ist beispielsweise
in Form eines wärmeisolierenden
Metallstücks
hergestellt.
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Im
Gegensatz zu den Röhren
des Standes der Technik sind die Röhren der Erfindung nicht mit einem
Kollektor ausgestattet, der mit einem Strahler versehen ist, der
die Wärme
in den Raum abstrahlen soll. Hier begnügen sich die Kollektoren C
der Röhren
T damit, dass sie im Wesentlichen leitend sind.
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Die
Körper
B der Röhren
T sind im Allgemeinen zueinander parallel und stehen in thermischem Kontakt
beispielsweise durch Wärmeübertragungsmittel
TC wie ein oder mehrere Wärmerohre
oder Wärmeübertragungsfluidrohre
mit einer Strahlungsplatte PR beispielsweise aus Aluminium, die
die Wärme,
die sie empfängt,
in den Raum abstrahlen soll. Gemäß der Orientierung
des Satelliten wird die Strahlungsplatte PR als "Nord", "Süd", "Ost" oder "West" bezeichnet, je nachdem,
wie sie in einer zu einer dieser vier Richtungen im Wesentlichen
senkrechten Ebene installiert ist. Ein Satellit kann beispielsweise
eine Nord-Strahlungsplatte und/oder eine Süd-Strahlungsplatte und/oder
eine Ost-Strahlungsplatte und/oder eine West-Strahlungsplatte umfassen.
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Die
Röhren
T, die mit einer Nord- oder Süd-Strahlungsplatte
PR thermisch gekoppelt sind, sind beispielsweise in der Ost-West-Richtung
im Wesentlichen parallel.
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Im
Folgenden wird in Betracht gezogen, dass der Satellit eine Nord-Strahlungsplatte
(oder Südstrahlungsplatte)
umfasst, die zu seitlichen Ost- und Westplatten PL im Wesentlichen
senkrecht ist, die beispielsweise mit einem thermisch isolierenden Mehrschicht-Material
(oder MLI für "Multi Layer Insulation") überzogen
sind.
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Die
Strahlungsplatte PR und die eventuellen Wärmeübertragungsmittel TC sind ein
Teil einer Wärmeabführungsvorrichtung
D, die gemäß der Erfindung
auch einen Strahlungsauffang RR umfasst, dessen Wände (P1–P3) einen
Aufnahmesitz L definieren, der die Kollektoren C der Verstärkungsröhren T aufnimmt,
und der mit den Kollektoren C durch mindestens eine der Wände P1 thermisch
gekoppelt ist, um die Wärme,
die sie erzeugen (und/oder empfangen) zwischen den Kollektoren C
und an der Wand P1 zu verteilen.
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In
dem in 1 und 3 dargestellten Beispiel umfasst
der Strahlungsauffang RR drei Wände P1,
P2 und P3, die paarweise im Wesentlichen senkrecht sind, indem sie
einen Raum einer Rinne oder Schiene mit vorzugsweise im Wesentlichen
U-förmigem
Querschnitt definieren.
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Der
Strahlungsauffang RR ist beispielsweise aus demselben Strahlungsmaterial
wie die Strahlungsplatte PR hergestellt.
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Außerdem ist
der Strahlungsauffang RR vorzugsweise mit den Kollektoren C direkt
oder indirekt beispielsweise durch Wärmeverteilungsmittel (RC1, RC2),
auf die später
zurückgekommen
wird, fest verbunden.
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Wie
in 3 dargestellt ist, ist es außerdem vorteilhaft, auf der
Höhe des
Intervalls, das den Auffang (oder die Schiene) RR von der Platte
PR trennt, ein Isolationsband BI beispielsweise aus einer MLI (für "MultiLayer Insulation") anzuordnen.
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Außerdem ist
der Strahlungsauffang RR vorzugsweise dazu bestimmt, am Satelliten
so installiert zu werden, dass er über einen erhöhten Sichtfaktor mit
dem Raum verfügt,
der ihm ermöglicht,
eine wirksame Abführung
der Wärme
sicherzustellen.
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Wie
in den 1 und 3 dargestellt ist, umfasst die
Vorrichtung D in einer bevorzugten Ausführungsform auch mindestens
ein Wärmeverteilungsmittel
RC1, das vorzugsweise eng zwischen die Kollektoren C und eine der
Wände des
Strahlungsauffangs RR eingefügt
ist und dafür
verantwortlich ist, die Wärme,
die die Kollektoren C erzeugen (und/oder empfangen) zwischen den
verschiedenen Kollektoren C und an der Wand P1, die es berührt, zu
verteilen.
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Bevorzugter
umfasst die Vorrichtung D noch ein weiteres Wärmeverteilungsmittel RC2, das
vorzugsweise eng zwischen die Kollektoren C und eine weitere der
drei Wände
P3 des Strahlungsauffangs RR eingefügt ist und dafür verantwortlich
ist, die Wärme,
die die Kollektoren erzeugen (und/oder empfangen), zwischen den
verschiedenen Kollektoren C und an der Wand P3, die es berührt, zu
verteilen.
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Im
dargestellten Beispiel sind die zwei Wärmeverteilungsmittel RC1 und
RC2 in Form von Vollstäben
aus einem wärmeleitenden
Material wie beispielsweise aus Aluminium hergestellt. In Varianten könnten jedoch
diese Wärmeverteilungsmittel
RC1 und RC2 in Form von Wärmeübertragungsvorrichtungen
wie Wärmerohren
(oder "heat pipes") oder Rohren, in
denen ein Wärmeübertragungsfluid
zirkuliert, hergestellt sein.
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Außerdem kann
in Erwägung
gezogen werden, zwischen die Kollektoren C und jeden Wärmeverteiler
RC1, RC2 eine Gleitdichtung einzufügen, die die thermoelastischen
Kräfte,
die vom Verstärkungsrohr
T erfahren werden, begrenzt. Eine derartige Gleitdichtung kann beispielsweise
in Form eines Materials aus wärmeleitenden
Folien, wie beispielsweise auf der Basis von Graphit, hergestellt
sein.
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Durch
die Erfindung stellt die Vorrichtung D eine doppelte Leitung sicher,
eine durch die Strahlungsplatte PR in thermischem Kontakt mit den
Körpern
B der Verstärkungsröhren T,
die andere durch den Strahlungsauffang RR in thermischem Kontakt mit
den Kollektoren C der Röhren
T vorzugsweise über
die Wärmeverteiler
RC. Die erste Leitung erfolgt somit gemäß einer mäßigen Temperatur auf der Höhe der Röhrenkörper und
die andere erhöhte
auf der Höhe
der Röhrenkollektoren.
Diese doppelte Leitung ist aufgrund dessen besonders wirksam, dass der
Strahlungsauffang (oder die Strahlungsschiene) RR von der Platte
PR thermisch abgekoppelt ist.
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Außerdem ermöglicht es
die Wärmeverteilung,
die von der Erfindung geboten wird, zwischen den verschiedenen Kollektoren
C und den Wänden P1–P3 des
Strahlungsauffangs RR:
- – die Temperatur der Verstärkungsröhren T um
einige zehn Grad Celsius, typischerweise 30°C bis 40°C, zu verringern, was einer
Verstärkung
der abgestrahlten Leistung von 30% bis 40% entspricht, was es ermöglicht,
die HF-Leistung um ungefähr
20% zu erhöhen,
- – die
thermischen Kreisläufe über die
Gesamtheit der Wärmeabführungsvorrichtung
D zu mitteln,
- – die
mechanische Ermüdung
der Verstärkungsröhren T beträchtlich
zu verringern,
- – die
Einschränkungen
des Raums zwischen den Verstärkungsröhren T zu
verringern,
- – die
mechanischen/thermischen Schnittstellen beim Test der an Bord des
Raumflugkörpers
befindlichen Anlagen zu vereinfachen,
- – die
Standardisierung der mechanischen und thermischen Schnittstellen
der Röhren
zu erleichtern.
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Die
Erfindung beschränkt
sich nicht auf die nur als Beispiel vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
der Wärmeabführungsvorrichtung
und des Raumflugkörpers,
sondern sie schließt
alle Varianten ein, die der Fachmann im Rahmen der nachstehenden
Ansprüche
in Betracht ziehen kann.
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Im
Vorangehenden wurde somit eine Anwendung der Erfindung auf die Telekommunikationssatelliten
beschrieben. Die Erfindung betrifft jedoch in allgemeiner Weise
jede Art von Flugkörper
oder Fahrzeug, der/das im Raum zirkuliert und durch elektronische
Komponenten wie Signalverstärker
erzeugte Energie abführen
muss, und insbesondere die Beobachtungssatelliten, die Raumsonden,
die Orbitalstationen oder die Raumschiffe.
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Außerdem wurde
ein Strahlungsauffang (oder eine Strahlungsschiene) beschrieben,
der einen U-förmigen
Querschnitt aufweist. Der Strahlungsauffang (oder die Strahlungsschiene)
kann jedoch in einer beliebigen Form und insbesondere in Form eines
Winkels oder einer Rinne vorliegen.
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Außerdem wurde
im Vorangehenden eine Ausführungsform
beschrieben, in der die Wärmeverteilungsmittel
(RC1, RC2) zwischen die Kollektoren und die Wände der Strahlungsauffänge (oder
Strahlungsschienen) eingefügt
waren. Es kann jedoch eine Variante in Erwägung gezogen werden, in der die
Wärmeverteilungsmittel
an der Außenseite
der Auffänge
angeordnet sind, wobei bestimmte Wände der Auffänge dann
eine Innenfläche
in Kontakt mit den Kollektoren und eine Außenfläche in Kontakt mit den Wärmeverteilungsmitteln
aufweisen. In diesem Fall ermöglichen
es die Wärmeverteilungsmittel,
die Strahlungsoberfläche
der Kollektoren zu vergrößern und
die Wärme
zwischen ihnen über
die Wand des Strahlungsauffangs zu verteilen. Es kann auch eine weitere
Variante in Erwägung
gezogen werden, in der mindestens eine der Wände der Strahlungsauffänge (oder
Strahlungsschienen) zumindest teilweise hohl (oder ausgebildet)
ist, um die Wärmeverteilungsmittel
(RC1, RC2) zu integrieren.
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Ebenso
wurde eine Ausführungsform
beschrieben, in der die Wärmeübertragungsmittel
(TC) zwischen die Körper
der Verstärkungsröhren und
die Strahlungsplatte eingefügt
waren. Es kann jedoch eine Variante in Erwägung gezogen werden, in der die
Wärmeübertragungsmittel über der
Strahlungsplatte angeordnet sind, wobei diese dann eine Innenfläche in Kontakt
mit den Körpern
und eine Außenfläche in Kontakt
mit den Wärmeübertragungsmitteln aufweist.
Es kann auch eine andere Variante in Erwägung gezogen werden, in der
die Strahlungsplatte zumindest teilweise hohl (oder ausgebildet)
ist, um die Wärmeübertragungsmittel
(TC) zu integrieren.
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Schließlich ist
die Vorrichtung gemäß der Erfindung
nicht obligatorisch fest. Sie kann tatsächlich zumindest teilweise
beweglich sein. Mindestens eine der Wände des Strahlungsauffangs
(oder der Strahlungsschiene) kann beispielsweise beim Start (oder bei
Verlagerungen) eingeklappt werden, dann während der Betriebsphasen ausgefahren
werden. Es kann auch in Erwägung
gezogen werden, dass mindestens eine seiner Wände entweder eine variable Oberfläche und/oder
Geometrie aufweist, um den Wirkungsgrad der Abführungsvorrichtung in Abhängigkeit
von den Bedürfnissen
zu steuern.