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Technischer Bereich
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optischen Oberflächenreflektor,
der zur Installation auf einem Raumfahrzeug bestimmt ist, beispielsweise
auf einem geostationären
Satelliten, um dessen Temperaturkontrolle zu gewährleisten.
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Stand der
Technik
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Um
die Temperaturkontrolle von Satelliten, insbesondere von geostationären Satelliten,
zu gewährleisten,
ist es üblich,
diese mit optischen Oberflächenreflektoren
auszurüsten,
die im Allgemeinen als OSR (vom Englischen „Optical Surface Reflector") bezeichnet werden,
wenn sie aus Glas hergestellt werden, das auf der dem Satelliten
zugewandten Seite mit Silber beschichtet ist.
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Optische
Oberflächenreflektoren
sind üblicherweise
ebene, für
Infrarotstrahlung durchlässige Platten,
deren dem Satelliten zugewandte Seite mit Metall beschichtet ist.
Sie dienen dazu, das einfallende Sonnenlicht fast vollständig zu
reflektieren, wobei sie eine möglichst
hohe Strahlungskapazität
aufweisen, insbesondere im infraroten Bereich. Mit anderen Worten
gewährleisten
die Oberflächenreflektoren
die Ableitung der Wärme,
die von bestimmten Geräten an
Bord des Satelliten erzeugt wird, und garantieren auf diese Weise
die Temperaturkontrolle.
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In
manchen Raumfahrzeugen, wie beispielsweise geostationären Satelliten
und erdnahen Satelliten heliosynchronen Typs, erfordert die Sicherstellung
einer zufrieden stellenden Temperaturkontrolle den Einsatz von optischen
Oberflächenreflektoren, die
eine erhöhte
Strahlungskapazität
und damit auch eine umfangreiche Oberfläche aufweisen.
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Beim
derzeitigen Stand der Technik besteht die einzige bekannte Lösung, um
zu diesem Ergebnis zu gelangen, darin, die Satelliten mit ausfahrbaren Reflektoren
auszurüsten,
die aus mehreren, mit Gelenken versehenen Platten bestehen.
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Diese
Lösung
weist jedoch erhebliche Nachteile auf. So hat der Einsatz von ausfahrbaren
Reflektoren insbesondere zur Folge, dass Gewicht und Umfang der
Satelliten deutlich erhöht
werden. Außerdem
sind zu diesem Zweck Mechanismen erforderlich, deren Funktion im
Vakuum ein Risiko im Hinblick auf die Zuverlässigkeit darstellt.
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Im Übrigen ist
bekannt, dass das Wärmestrahlungsvermögen von
schwarzen Körpern
dadurch gesteigert wird, dass ihre Seitenwand in Form eines pyramidenförmigen Netzes
ausgeführt
wird, das aus einer großen
Anzahl nebeneinander liegender, dreieckiger Flächen besteht, die in Bezug
auf die Ebene der genannten Seitenwand geneigt sind. Dennoch besteht
in diesem Fall kein Zwang in Verbindung mit der Notwendigkeit, das
einfallende Sonnenlicht nicht zu absorbieren.
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Im
Dokument EP-A-0 930 231 wird schließlich eine Schnittstelle zwischen
einem Bauteil, das Wärme
abstrahlt, und einer Trägerplatte
an einem Satelliten beschrieben. Diese Schnittstelle besteht aus
nebeneinander liegenden Metallstegen, von denen jeder ursprünglich pyramidenförmige oder
halbkugelförmige
Ausstülpungen
aufweist. Die Befestigung des Bauteils auf der Trägerplatte
hat zur Folge, dass diese Ausstülpungen
zusammengedrückt
werden. Auf diese Weise werden ein verbesserter Oberflächenkontakt
zwischen den Teilen und somit auch eine bessere Hitzeableitung durch
Wärmeleitung
an die Trägerplatte
gewährleistet.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Der
exakte Gegenstand der Erfindung ist ein optischer Oberflächenreflektor
für ein
Raumfahrzeug, dessen Originalkonzeption die Möglichkeit bietet, die Strahlungskapazität des Fahrzeugs
zu steigern, und dabei den Absorptionskoeffizienten für das Sonnenlicht
praktisch unverändert
beizubehalten, wobei die Steigerung von Gewicht und Umfang minimiert
und die zusätzliche
Installation von Mechanismen vermieden wird, die die Zuverlässigkeit
der Kühlvorrichtung
beeinträchtigen
könnten.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses Ergebnis mit Hilfe eines optischen Oberflächenreflektors
erzielt, der in der Lage ist, die Außenwand eines Raumfahrzeugs
zu bilden, die aus einer Außenfläche, die dem
Weltraum zugewandt werden soll, und einer Innenfläche besteht,
die dem Fahrzeug zugewandt werden soll, dadurch gekennzeichnet,
dass die Außenfläche eine
Vielzahl von Facetten umfasst, die in Bezug aufeinander und in Bezug
auf die genannte Innenfläche
geneigt sind.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass sich der Begriff „Facetten" im gesamten Text auf unterschiedliche
Oberflächenbereiche
mit festen Maßen
bezieht, unabhängig
von der jeweiligen Größe. So können die Maße der Facetten
im Millimeter-, Dezimeter- oder in einem Zwischenbereich liegen,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die
Ausführung
der Außenflächen des
optischen Reflektors in Form von geneigten Facetten ermöglicht die
Vergrößerung der
Strahlungsfläche
um 12 bis 15%, ohne eine wesentliche Erhöhung von Gewicht und Umfang
des Reflektors. Außerdem
bietet diese Anordnung die Möglichkeit,
den Einsatz von Öffnungsmechanismen
zu vermeiden.
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Die
Winkel, die von den nebeneinander liegenden Facetten gebildet werden,
werden in Abhängigkeit
von den Einfallswinkeln der Sonnenstrahlen gewählt, die voraussichtlich auf
den Reflektor auftreffen, d.h. in Abhängigkeit von der vorgesehenen
Ausrichtung des genannten Reflektors auf dem Satelliten, so dass
die Sonnenstrahlen nur einmal von den Facetten des Reflektors reflektiert
werden.
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Vorteilhafterweise
umfasst jede Facette eine für
Infrarotstrahlen transparente Materialschicht, deren Innenseite
in Richtung des Raumfahrzeugs gewandt und mit Metall beschichtet
ist.
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In
diesem Fall beinhaltet jede Facette vorzugsweise eine Schicht aus
einem Metall, das aus einer Gruppe ausgewählt wird, die Silber und Aluminium
umfasst.
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Als
Option kann jede Facette außerdem
eine Schicht aus einem für
das Sonnenspektrum transparenten Material, wie beispielsweise Glas
umfassen.
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Die
Facetten werden auf einem Substrat befestigt, das als innere Halterung
dient und aus einem Material besteht, das aus einer Gruppe ausgewählt werden
kann, die Glas und Polytetrafluorethylen umfasst.
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Um
die Herstellung zu vereinfachen, sind die Facetten vorzugsweise
praktisch flach.
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Vorteilhafterweise
bilden die Facetten dann vorstehende Elemente mit polygonaler Basis,
die in einem regelmäßigen Netz
auf der genannten Außenfläche angeordnet
sind.
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In
diesem Fall wird die polygonale Basis der vorstehenden Elemente
aus einer Gruppe ausgewählt,
die gleichseitige Dreiecke, Vierecke, Rechtecke, Rauten und regelmäßige Sechsecke
umfasst.
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In
der bevorzugten Ausführungsvariante
der Erfindung handelt es sich bei den vorstehenden Elementen um
Pyramiden mit quadratischer Basis.
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Im
optimalen Fall, in dem der Reflektor so ausgerichtet ist, dass die
Sonnenstrahlen in einem Einfallswinkel zwischen 45° und 90° in Bezug
zur lokalen Senkrechten der Reflektor-Innenfläche auftreffen, beträgt der Winkel
an der Spitze der Pyramiden 90°.
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Im
Fall eines geostationären
Satelliten, der mit einem Reflektor ausgerüstet ist, der so ausgerichtet
ist, dass die Sonnenstrahlen in einem Einfallswinkel zwischen 60° und 90° in Bezug
auf die lokale Senkrechte der Reflektorinnenfläche auftreffen, beträgt der Winkel
an der Spitze der Pyramiden 60°.
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In
dem Fall schließlich,
in dem der Reflektor so ausgerichtet ist, dass die Sonnenstrahlen
mit einem Einfallswinkel zwischen 30° und 90° in Bezug auf die lokale Senkrechte
der Reflektorinnenfläche auftreffen,
beträgt
der Winkel an der Spitze der Pyramide 120°.
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Kurze Beschreibung der
Zeichnungen
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Im
Folgenden werden mehrere bevorzugte Ausführungsvarianten der Erfindung
beschrieben, die als Beispiel dienen und keinerlei einschränkenden
Charakter aufweisen, und die sich auf die beiliegenden Zeichnungen
beziehen, wobei:
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1 ein
Querschnitt ist, in dem ein optischer Oberflächenreflektor gemäß der Erfindung schematisch
dargestellt wird;
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2 eine
perspektivische Draufsicht ist, in der eine erste Ausführungsvariante
der Erfindung dargestellt wird, in der die Außenfläche des Reflektors aus nebeneinander
angeordneten Pyramiden mit quadratischer Basis gebildet wird;
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3 eine
Draufsicht ist, in der eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung
dargestellt wird, in der die Außenfläche des
Reflektors aus nebeneinander angeordneten Pyramiden mit dreieckiger
Basis gebildet wird;
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4 eine
mit 3 vergleichbare Ansicht ist, in der eine dritte
Ausführungsvariante
der Erfindung dargestellt wird, in der die Außenfläche des Reflektors aus nebeneinander
angeordneten Pyramiden mit sechseckiger Basis gebildet wird.
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Detaillierte Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsvarianten
der Erfindung
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Ein
optischer Oberflächenreflektor
gemäß der Erfindung
stellt eine starre Platte dar, die dazu bestimmt ist, die Außenwand
eines Raumfahrzeugs zu bilden, beispielsweise eines geostationären Satelliten
oder eines erdnahen Satelliten heliosynchronen Typs.
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Wie
in 1 sehr schematisch dargestellt, umfasst eine solche
Platte somit eine Außenfläche 10,
die zur Ausrichtung in den Weltraum vorgesehen ist und direkten
Kontakt zum Weltraumvakuum hat, sowie eine Innenfläche 12,
die zum Raumfahrzeug ausgerichtet werden soll, das mit dem genannten
Reflektor ausgerüstet
ist.
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Die
Funktion des optischen Oberflächenreflektors
gemäß der Erfindung
besteht einerseits darin, das maximale Wärmestrahlungsvermögen der
Satelliteninnenflächen
nach Außen
zu gewährleisten,
insbesondere im Bereich der Infrarotstrahlungen, und andererseits
den Großteil
des einfallenden Sonnenlichts zu reflektieren, das auf die Außenfläche 10 trifft.
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Um
das Wärmestrahlungsvermögen zu verbessern,
ohne dazu ausfahrbare Reflektoren einsetzen zu müssen, wird gemäß der Erfindung
vorgeschlagen, die Außenfläche 10 in
Form einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten Facetten 14 auszuführen.
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In
den bevorzugten Ausführungsvarianten der
Erfindung, die in den Abbildungen dargestellt werden, weist der
optische Reflektor eine praktisch ebene Gesamtkonfiguration auf.
In anderen Worten ist die Innenfläche 12 des Reflektors
eben und seine Außenfläche 10,
die im Bereich der Basis 16 der einzelnen Facetten 14 als
Ganzes betrachtet wird, ist ebenfalls eben. Es ist darauf hinzuweisen,
dass die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt ist und
sich auch auf den Fall erstreckt, in dem der optische Reflektor
eine bestimmte Wölbung
in einer oder zwei Richtungen aufweist. In der folgenden Beschreibung
entspricht die Senkrechte zur Reflektorebene oder zu deren Innenfläche somit
der lokalen Senkrechten zu dieser Ebene.
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Im Übrigen haben
die bevorzugten Ausführungsvarianten
der Erfindung, die in den Abbildungen dargestellt werden, außerdem gemeinsam,
dass sämtliche
Facetten 14 eben und quer zur Außenfläche 10 des als Ganzen
betrachteten Reflektors ausgerichtet sind. Die Erfindung ist jedoch
nicht auf diese Anordnung beschränkt
und erstreckt sich auch auf den Fall, in dem mindestens einige der
Facetten 14 gebogen sind und in dem einige der Facetten
parallel zur Außenfläche 10 des
als Ganzen betrachteten Reflektors ausgerichtet sind.
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Wie
aus 2 bis 4 ersichtlich ist, weisen die
Facetten 14 vorteilhafterweise die Form von gleichschenkligen
Dreiecken auf, wobei jeweils zwei nebeneinander angeordnete Facetten
eine gemeinsame Basis 16 und jeweils vier (2),
drei (3) bzw. sechs (4) nebeneinander
angeordnete Facetten 14 eine gemeinsame Spitze 18 aufweisen.
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Auf
diese Weise bilden die Facetten 14 auf der Außenfläche 10 des
Reflektors vorstehende Elemente mit polygonaler Basis, die in einem
regelmäßigen Netz
auf der genannten Außenfläche angeordnet sind.
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Im
Fall von 2 weisen diese vorstehenden
Elemente eine quadratische Basis auf und jedes wird durch Anordnung
von drei dreieckigen Facetten 14 nebeneinander gebildet.
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Im
Fall von 4 weisen die vorstehenden Elemente
schließlich
eine Basis in Form eines Sechsecks auf und jedes wird durch Anordnung
von sechs dreieckigen Facetten 14 nebeneinander gebildet.
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Die
Größe der vorstehenden
Elemente, die von den Facetten 14 gebildet werden, kann
im Bereich einiger Millimeter oder Dezimeter liegen, wobei sich
von selbst versteht, dass auch sämtliche
Zwischengrößen möglich sind.
Die Untergrenze wurde festgelegt, um die Gefahr einer Brechung des
Sonnenlichts auszuschließen.
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Es
ist anzumerken, dass die Basen 16 und die Spitzen 18 auch
durch die dazwischen liegenden, parallelen Linien, die im Allgemeinen
gerade sind, gebildet werden können.
In diesem Fall sind die Facetten 14 nicht dreieckig, sondern
weisen die Form von ebenen Stegen auf, die in Bezug auf die Außenfläche 10 des
als Ganzes betrachteten Reflektors geneigt sind, so dass vorstehende
Elemente mit V-förmigem
Schnitt gebildet werden.
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Wie
aus 1 im Detail ersichtlich ist, umfasst eine Sonnenreflektorplatte
mit einer Oberfläche gemäß der Erfindung
eine Trägerstruktur 20,
auf der die Solarreflektoren mit elementarer Oberfläche aufgeklebt
sind. Diese Reflektoren bestehen auf den Außenseiten (Facetten 14)
aus einer Schicht aus einem für
Sonnenstrahlen durchlässigen
Material 22 wie z.B. Glas und auf den Innenseiten aus einer
Schicht aus reflektierendem Metall 24. Wenn die Abmessungen
dies ermöglichen,
werden die Metallschicht 24 und die Schicht 22 aus
transparentem Material durch Vakuumbedampfung aufgebracht.
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Die
Sonneneinstrahlung wird somit nach Außen zurückgestrahlt, ohne eine Erhitzung
zu verursachen, mit Ausnahme der Erhitzung, die mit den Übertragungsverlusten
im Glas und den Reflexionsverlusten auf der Metallschicht zusammenhängt. Die
Wärme des
Satelliten wird durch Wärmeleitung
von der Innenfläche 12 des
Reflektors auf die Trägerstruktur 20 und
anschließend
auf die Außenfläche 10 geleitet, wo
sie auf Lambertsche Weise in den Weltraum abgestrahlt werden kann.
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Die
Trägerstruktur 20 kann
aus jedem Material hergestellt werden, das die erforderlichen mechanischen
und optischen Eigenschaften aufweist. Bei diesem Material kann es
sich insbesondere um ein Metall, eine Metall-Legierung oder einen
Verbundwerkstoff handeln.
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Die
Schicht 22 aus transparentem Material besteht üblicherweise
aus Glas, das auf die Metallschicht 24 aufgebracht wird.
Die Schicht 22 aus transparentem Material kann auch entfallen.
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Die
Trägerstruktur 20 besteht üblicherweise aus
Glas, um die mechanischen Spannungen mit der Schicht 22 aus
transparentem Material bei Temperaturschwankungen zu minimieren.
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Wenn
die Schicht 22 aus transparentem Material entfällt, kann
die Trägerstruktur 20 aus
einem anderen Material hergestellt werden, z.B. aus Polytetrafluorethylen.
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Die
Metallschichten 24 bestehen beispielsweise aus Silber,
Aluminium oder einem beliebigen anderen Metall oder einer Metall- Legierung, die einen
guten Reflexionskoeffizienten im Spektralband der Sonne aufweisen.
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Das
Aufbringen der Metallschichten 24 auf den Schichten 22 aus
transparentem Material kann mit allen dem Fachmann bekannten Mitteln
erfolgen, wie z.B. durch Vakuumbedampfen, ohne den Rahmen der vorliegenden
Erfindung zu verlassen.
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In
der bevorzugten Ausführungsvariante
der Erfindung, die in 1 und 2 schematisch
dargestellt ist, handelt es sich bei den vorstehenden Elementen,
die von den Facetten 14 gebildet werden, um Pyramiden mit
quadratischer Basis, deren Winkel an der Spitze, im Schnitt gemäß entlang
einer Mittelebene, parallel zur Basis 16 und durch die
Spitze 18 verlaufend, praktisch gleich 90° beträgt. Diese
Anordnung ist in dem Fall geeignet, in dem die Sonnenstrahlen in
einem Einfallswinkel zwischen 45° und 90° in Bezug
auf die lokale Senkrechte zur Innenfläche 12 des Reflektors
auf den Reflektor auftreffen.
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Im
Fall eines geostationären
Satelliten, in dem die Sonnenstrahlen in einem Einfallswinkel zwischen
60° und
90° auf
den Reflektor auftreffen, können
die Winkel an der Spitze der Pyramiden mit quadratischer Basis,
die von den Facetten 14 gebildet werden, spitzer sein und
60° betragen.
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Wenn
die Sonnenstrahlen jedoch in einem Einfallswinkel zwischen 30° und 90° auf den
Reflektor auftreffen, sind die Winkel an der Spitze der Pyramiden
mit quadratischer Basis, die von den Facetten 14 gebildet
werden, stumpfer und betragen 120°.
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Im
Vergleich zu einem optischen Reflektor nach dem früheren Stand
der Technik, der eine ebene Außenfläche aufweist,
ermöglicht
der auf diese Weise ausgeführte
Reflektor eine Erhöhung
der effektiven, dem kalten Vakuum ausgesetzten Reflektoroberfläche um den
Faktor 2,82. Auf der anderen Seite wird eine thermische Kopplung
zwischen den Facetten 14 hergestellt. Auf diese Weise erreicht
das Wärmestrahlungsvermögen des
Reflektors Werte nahe 1, d.h. zwischen 0,95 und 0,99, ohne dass
das Gewicht und der Umfang des genannten Reflektors dazu wesentlich
erhöht
werden müssen.
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Im Übrigen ist
die dem Sonnenlicht ausgesetzte Fläche im Vergleich zu einem optischen
Reflektor nach dem früheren
Stand der Technik nicht wesentlich größer. Diese Oberfläche bleibt
somit geringfügig
und der Absorptionskoeffizient des Reflektors wird im Vergleich
zum früheren
Stand der Technik nicht wesentlich erhöht. Außerdem sind die Strecken im
Glas im Fall von Sonnenlicht, das auf die Reflektoren trifft, die
auf der äquinoktialen
Seite des Satelliten angeordnet sind, kürzer und die Absorption ist daher
geringer.
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Wie
in der Draufsicht in 3 und 4 dargestellt,
können
die vorstehenden Pyramiden, die von den Facetten 14 gebildet
werden, anstatt einer quadratischen Basis auch eine Basis in Form
eines gleichseitigen Dreiecks oder in Form eines regelmäßigen Sechsecks
aufweisen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Basis
der vorstehenden Elemente kann auch die Form einer Raute oder eines gleichschenkligen
Dreiecks aufweisen, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die
in Bezug auf 1 bis 4 beschriebenen
Ausführungsvarianten
ermöglichen
eine Optimierung der Strahlungskapazität der Kühlvorrichtung. In einer Variante
können
die vorstehenden, pyramidenförmigen
Elemente durch Facetten 14 getrennt sein, die parallel
zur Innenfläche 12 des
Reflektors verlaufen. Die Strahlungskapazität ist dann nicht so gut wie
im Fall der Abbildungen, sie ist jedoch weiterhin besser als bei
Reflektoren nach dem vorherigen Stand der Technik.
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Schließlich ist
noch anzumerken, dass der Reflektor gemäß der Erfindung externe Elemente, wie
beispielsweise Wärmeübertragungsrohre,
beinhalten kann. Diese weisen dann eine unterschiedliche Hybridstruktur
auf, als in den Abbildungen dargestellt ist. Ein Gewinn von 12 bis
15% zusätzlicher Strahlungsoberfläche im Vergleich
zum vorherigen Stand der Technik ist in diesem Fall ebenfalls möglich.