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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Raumfahrzeuge
und betrifft im Besonderen die Wärmeregelung
der Elektronikmodule aufweisenden Ausrüstungen eines Satelliten.
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Satelliten
der derzeitigen Generation sind so konstruiert worden, dass die
Elektronikausrüstung der
Nutzlast und die Avionikausrüstung
der Plattform in Metallgehäusen
eingeschlossen sind, welche mechanisch flach auf den tragenden Platten
(Außenwände und
Trennwände)
des Satelliten montiert sind. Wie in 1a dargestellt,
ist der Satellit einem Würfel 1 vergleichbar,
wobei die Mitte 2 von den Treibstofftanks eingenommen wird,
wobei die Wände 3 (nämlich die
tragenden Platten) die sechs Flächen des
Satelliten und nicht dargestellte Trennwände bilden, welche die Wände mit
den Tanks verbinden.
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Die
Elektronik- und Avionikausrüstungen sind
untereinander durch einen komplexen Kabelbaum verbunden, der die
Stromversorgung, die Signale der Hilfseinrichtungen, die Hochfrequenz-
oder Mikrowellen-Nutzsignale im Fall eines Telekommunikationssatelliten
usw. transportiert. Die Kabelbäume wirken
sich nachteilig im Hinblick auf ihre Masse, die für die Konstruktion
und Test aufgewendete Zeit und im Hinblick auf ihre Kosten aus.
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Diese
Bauweise, die sich aus dem bedeutenden Platzbedarf der Tanks ergibt,
ist für
neue Satelliten, die mit elektrischem Antrieb arbeiten, nicht mehr sachdienlich,
bei denen das benötigte
Treibstoffvolumen, um die Umlaufbahn zu erreichen, um die Position
zu halten und um die Lage zu regeln, geringer ist. Da nun die Größe der Tanks
geringer ist, steht ein bedeutendes Innenvolumen zur Verfügung, um
darin Innenplatten 4 für
die Anordnung zusätzlicher
Ausrüstungen
der Nutzlast und der Avionik einzubauen.
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Die
Neugestaltung des frei gewordenen Volumens muss genutzt werden für eine Entwicklung
in Richtung einer modularen Architektur der Wärme-, der elektrischen und
mechanischen Systeme des Satelliten sowie für eine Standardisierung der
Nutzlastgestaltung und eine Senkung der Kosten.
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Insbesondere
die Anordnung der Elektronikausrüstungen,
die Konzeption ihrer Wärmeregelung und
der Verbindungskabelbäume,
die bisher auf einem eher flächigen
Ansatz basierten, werden zu einem dreidimensionalen Ansatz übergehen.
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Die
Forschungs- und Entwicklungsteams der Anmelderin haben sich insbesondere
des Problems der Wärmeregelung
der Ausrüstungen
in einem solchen Kontext angenommen.
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Beim
Betrieb eines Satelliten in der Umlaufbahn strahlen nämlich die
in ihn eingebauten Ausrüstungen
eine hohe Menge an Wärme
ab. Um die Überhitzung
des Satelliten zu verhindern, ist es erforderlich, eine Wärmeübertragungsvorrichtung
vorzusehen, die in der Lage ist, diese Wärme aus dem Inneren des Satelliten
in den Weltraum abzuführen.
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Derzeit
ist eine gewisse Zahl von Systemen zur Durchführung dieser Wärmeübertragung
bekannt.
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Diese
Systeme umfassen einen oder mehrere feste oder ausklappbare Kühler, die
mit dem Satelliten verbunden und mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung ausgestattet
sind. Das Prinzip dieser Wärmeübertragungsvorrichtungen
gründet
sich immer noch auf die Verwendung einer Flüssigkeit, die zwischen der
warmen Zone, das heißt
der Zone, in der die Wärmeleistung
abgestrahlt wird, und der kalten Zone, das heißt der Zone, wo diese Wärmeleistung
von dem Fluid aufgenommen und in die Außenumgebung transferiert wird,
zirkuliert.
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Ein
erster Typ bekannter Vorrichtungen ist das Wärmerohr. Dieses System umfasst
ein Metallrohr (zum Beispiel aus Aluminium), in dem ein flüssiges Kühlmittel
(im Allgemeinen Ammoniak) zirkuliert, und es nutzt die Eigenschaften
des zweiphasigen Fließverhaltens
von Flüssigkeit
und Dampf sowie die Kapillaritätseigenschaften
von Flüssigkeiten.
Ein Wärmerohr
ist somit ein geschlossenes zweiphasiges System, in dem der in der
warmen Zone (sogenannte Verdampfungszone) erzeugte Dampf zur kalten
Zone (in welcher der Druck weniger hoch ist) angesaugt wird und
dort an der Metallwand des Rohrs kondensiert. Die flüssige Phase
des verwendeten Kühlmittels
gleitet an der Metallwand des Rohrs entlang, umgekehrt zur Fließrichtung
der Dampfphase des Kühlmittels,
die in der Mitte des Rohrs eingeschlossen bleibt. Dieser Rückweg des
Kühlmittels
an der Wand entlang wird durch eine Kapillarstruktur (Docht oder
Längsrillen)
sichergestellt, welche die beiden Enden des Rohrs verbindet und
die gleichzeitig die Aufgabe einer Kapillarpumpe und eines Abscheiders
zwischen den beiden Phasen Flüssigkeit/Dampf
erfüllt.
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Die
Wärmeübertragungsvorrichtungen,
die Wärmerohre
verwenden, auch wenn diese auf dem Gebiet von Satelliten breite
Verwendung finden, bringen dessen ungeachtet eine Reihe von Problemen mit
sich.
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An
erster Stelle ist ihre Leistung im Hinblick auf die Wärmeübertragungsfähigkeit
auf einige hundert Wm begrenzt. Daher sind diese Vorrichtungen für Telekommunikationssatelliten
mit hoher Leistung unzureichend und wenig geeignet für die Entfernungen
und Wärmewege
zwischen den kalten und warmen Quellen.
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Außerdem ist
bei den am Boden durchzuführenden
Wärmeprüfungen darauf
zu achten, dass diese Wärmerohre
horizontal oder mit den Verdampfungszonen oberhalb der Kondensationszonen
angeordnet sind, sonst muss die Flüssigkeit durch Kapillarwirkung
gegen die Gravitationskräfte
aufsteigen.
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Daher
bevorzugt man die Verwendung von Vorrichtungen mit einem einphasigen
oder zweiphasigen aktiven Kühlmittelkreis,
in denen eine Pumpe für
das Fließen
des Kühlmittels
sorgt.
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In
Vorrichtungen mit einphasigem Kühlmittelkreislauf
nimmt das Kühlmittel
(Freone, Wasser, Ammoniak usw.) die von den Ausrüstungen abgestrahlte Leistung
auf, wobei sich dadurch seine Temperatur erhöht, und gibt diese Leistung
wieder ab, indem es sich in einem oder mehreren Kühlern abkühlt. Die
Zirkulation des Kühlmittels
wird von einer mechanischen Pumpe sichergestellt.
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Obwohl
sie deutlich höhere
Leistungen aufnehmen können,
als es mit Hilfe von Wärmerohren möglich ist,
kann Vorrichtungen dieser Art mit einphasigem Kühlmittelkreislauf der Typ mit
zweiphasigen Kühlmittelkreisläufen vorgezogen
werden, insbesondere für
Satelliten mit hoher Leistung.
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Die
Wärmeübertragungsvorrichtungen
mit durch eine Kapillarpumpe (CPL für englisch „Capillary Pumped Loop" oder LHP) angetriebenen
zweiphasigen Kühlmittelkreisläufen nutzen,
ebenso wie Wärmerohre,
die latente Verdampfungswärme des
Kühlmittels,
um die Wärme
aufzunehmen und abzugeben. Das Kühlmittel ändert daher
bei seiner Zirkulation im Kreislauf seinen Zustand. Es verdampft,
indem es die von den Ausrüstungen
beim Verdampfer abgestrahlte Wärme
aufnimmt, und es kondensiert, indem es diese Wärme in einem oder mehreren
beim Kühler angeordneten
Kondensatoren abgibt. Das Kühlmittel wird
durch eine beim Verdampfer angesiedelte Kapillarpumpe in Bewegung
gehalten. Die Dampf- und die flüssige
Phase sind voneinander getrennt, außer am Kondensator, wo sie
in derselben Richtung zirkulieren, im Gegensatz zum Wärmerohr,
in dem die Phasen im selben Rohr in umgekehrter Richtung zirkulieren.
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In
Bezug auf die Wärmeübertragungsfähigkeit
sind Vorrichtungen dieser Art deutlich wirksamer als Wärmerohre,
und zwar wegen einer viel begrenzteren Kapillarstruktur (nur der
Verdampfer weist diese Pumpstruktur auf).
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Im
Fall von einphasigen Kreisläufen
wird einfach mechanisch gepumpt, während bei zweiphasigen Kreisläufen das
Kapillarpumpen die gesamte oder einen Teil der Wärmeübertragung vom Verdampfer zum
Kondensator sicherstellen kann. Somit sind je nach angestrebten
Leistungen die Kühlmittelkreisläufe einphasig
mechanisch gepumpt, zweiphasig mit Kapillarpumpe oder zweiphasig
mechanisch gepumpt.
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Schließlich erscheinen
für die
höchsten
Leistungsstufen zweiphasige mechanisch gepumpte Kreisläufe als
die geeignetsten. Sie vereinen alle Vorteile von zweiphasigen und
einphasigen Kreisläufen, ohne
ihre jeweiligen Nachteile aufzuweisen. Nach wie vor gilt jedoch,
dass die Lebensdauer der Pumpen und die zum Einsatz kommende Komplexität noch ihre
Verwendung begrenzt.
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Unter
Berücksichtigung
des Vorstehenden ist somit das Ziel der vorliegenden Erfindung die
Bereitstellung:
- – einer Architektur von elektrischen,
mechanischen und thermischen Hilfssystemen, welche die Implementierung
modularer Schnittstellen und Standards zu den elektronischen Ausrüstungen der
Nutzlast und der Plattform eines Raumfahrzeugs ermöglichen;
- – einer
modularen und standardisierten (allgemein verfügbaren) Schnittstelle für die elektrischen,
mechanischen und thermischen Hilfseinrichtungen der Elektronikausrüstungen
der Nutzlast und der Plattform dieses Raumfahrzeugs.
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Die
Bemühungen
beziehen sich insbesondere auf die Wärmeregelung der Elektronikausrüstungen
des Raumfahrzeugs (thermische Hilfseinrichtungen), wie beispielsweise
eines Satelliten, unter Berücksichtigung
der häufig
genutzten und weiter oben dargestellten Wärmeübertragungsvorrichtungen, welche
eine Modularität
dieser Ausrüstungen
und eine Standardisierung der Halterungsplatten ermöglicht.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung eine Ausrüstung gemäß Anspruch 1 zum Gegenstand.
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Nach
einer Ausführungsform,
bei der die Wärmeübertragungsvorrichtung
dem Typ mit einphasigem Kühlmittelkreislauf
entspricht, umfassen die Übertragungsmittel
eine Rohrleitung, die so geformt ist, dass sie eine optimale gemeinsame
Fläche
mit dem Modul aufweist, wobei diese Rohrleitung zwei Enden aufweist,
an denen die Anschlussmittel für
die Verbindung mit der Wärmeübertragungsvorrichtung der
tragenden Struktur gelenkig angebracht sind.
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Nach
einer Ausführungsform
befinden sich die Enden auf Höhe
der unteren Kontaktfläche
der Ausrüstung
mit der Struktur, wobei die Wärmeübertragungsvorrichtung
der Struktur Abzweigungen umfasst, deren Enden Öffnungen an der oberen Kontaktfläche der
Struktur mit der Ausrüstung
derart aufweisen, dass die entsprechenden Öffnungen bei der Befestigung
der Ausrüstung
an der Struktur übereinstimmen.
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Nach
einer Ausführungsform
setzt sich die Rohrleitung über
eine zuvor festgelegte Länge über die Öffnungen
der Ausrüstung
nach außen
fort und bildet so äußere Segmente.
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Nach
einer Ausführungsform
erfolgt die Kooperation zwischen der Ausrüstung und der Struktur (24)
durch Einbettung der Segmente innerhalb der jeweiligen Abzweigungen.
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Nach
einer Ausführungsform
umfasst die Anschlussvorrichtung eine Verriegelungs-/Entriegelungsvorrichtung,
welche die Zirkulation der Kühlflüssigkeit
in der Rohrleitung absperrt bzw. zulässt.
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Nach
einer Ausführungsform,
bei der die Wärmeübertragungsvorrichtung
dem Typ mit zweiphasigem Kühlmittelkreislauf
entspricht, umfasst die Ausrüstung:
- – eine
Verdampferbaugruppe, umfassend mindestens ein Rohr für die Versorgung
der Baugruppe mit Kühlmittel
im flüssigen
Zustand, mindestens eine Außenhülle des
angeordneten Verdampferrohrs, das eine optimale Fläche mit
dem Modul derart aufweist, dass der an der Außenfläche des Rohrs erzeugte Dampf
gesammelt wird, wenn das Modul Wärme
abgibt, sowie einen Dampfsammler;
- – Anschlussvorrichtungen
des Rohrs und des Sammlers, die geeignet sind, letztere jeweils
an ein Kühlmittelzuleitungsrohr
aus einem Behälter bzw.
an eine Dampftransportleitung anzuschließen, um diesen Dampf zum Kondensator
der Wärmevorrichtung
zu transportieren.
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Nach
einer Ausführungsform
umfasst das Modul Verbindungsmittel an Signaltransportmittel, die
in der Struktur angeordnet sind und dazu bestimmt sind zu transportieren:
- – eine
Stromversorgung, die an die Ausrüstung die
verschiedenen Spannungen liefert;
- – und/oder
Signale von Hilfseinrichtungen wie jene zur Erfassung der Fernmessungen
der Ausrüstungen
und zur Steuerung von letzteren, der Zeit- und Frequenzbezugswerte;
- – und/oder
Nutzsignale wie die Mikrowellen-, optischen und digitalen Signale.
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Nach
einer Ausführungsform
arbeiten die Signaltransportmittel mit optischer Technologie, wobei die
Verbindungsmittel Mittel zur Umwandlung Mikrowellen/optisch umfassen.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Satellitenstruktur, dadurch gekennzeichnet,
dass sie eine Ausrüstung
gemäß der Erfindung
trägt.
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Nach
einer Ausführungsform
ist die Struktur gemäß der Erfindung
mit mechanischen, thermischen und elektrischen Verbindungsmitteln
ausgestattet, die für
den Anschluss mehrerer Kühler
geeignet sind.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch eine Anordnung von Ausrüstungen für eine Satellitenstruktur gemäß der Erfindung,
dadurch gekennzeichnet, dass jedem Kühler eine Gruppe von Ausrüstungen
zugeordnet ist, die einer eigenen Erhitzungstemperatur entspricht
und somit eine geeignete Kühlung
erfordert.
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Gegenstand
der Erfindung ist auch ein Kommunikationssystem für einen
Satelliten, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens eine Ausrüstung gemäß der Erfindung
und eine Trägerstruktur
für diese
Ausrüstung
gemäß der Erfindung
umfasst.
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Nach
einer Ausführungsform
umfasst dieses System:
- – einen Nutzsignal-Cross-Connect;
- – ein
Subsystem für
die Hilfseinrichtungen;
- – ein
Subsystem für
die Stromversorgungen;
wobei letztere jeweils mit den
Signaltransportmitteln verbunden sind.
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Nach
einer Ausführungsform
umfasst der Cross-Connect statische oder dynamische Mittel zur Programmierung
des Moduls.
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Nach
einer Ausführungsform
umfassen die Verbindungsmittel der Ausrüstung für den Transport optischer Signale
oder von Mikrowellensignalen mit hohem Pegel, die in den optischen
Bereich umgewandelt sind oder umgewandelt werden sollen, Mittel zur
Umwandlung Mikrowellen/optisch, wobei die Transportmittel mindestens
eine Lichtleitfaser umfassen und der Cross-Connect mit optischer
Technologie arbeitet.
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Weitere
Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden bei der Lektüre der nachfolgenden
Beschreibung einer Ausführungsform
der Erfindung ersichtlich werden, die zur Veranschaulichung und ohne
jede einschränkende
Wirkung gegeben wird.
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In
den folgenden Figuren:
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stellt 1a modellhaft
den Satelliten mit Tank dar, während 1b modellhaft
den Satelliten mit elektrischem Antrieb darstellt;
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veranschaulicht 2 das
Prinzip des zweiphasigen Kühlmittelkreislaufs
mit Kapillarpumpe;
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stellt 3 einen
Satelliten mit ausgeklappten Kühlern
dar;
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stellt 4 schematisch
eine Ausführungsform
einer Ausrüstung
gemäß der Erfindung
dar, die geeignet ist, mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit
einphasigem Kühlmittelkreislauf
zusammenzuarbeiten;
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stellt 4a eine
Variante der Ausrüstung von 4 dar;
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stellt 5 eine
Ausführungsform
der Ausrüstung
gemäß der Erfindung
dar, die geeignet ist, mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit
zweiphasigem Kühlmittelkreislauf
zusammenzuarbeiten;
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ist
in 5a die Ausrüstung
von 5 abgekoppelt von ihrer tragenden Struktur dargestellt;
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stellt 6 das
Modularitätsprinzip
der Anordnung von Ausrüstungen
bezogen auf die verschiedenen Busse der Struktur des Satelliten
nach einer Ausführungsform
der Erfindung dar;
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stellt 7 ein
Kommunikationssystem der Ausrüstungen
mit den verschiedenen Subsystemen des Satelliten und dem Cross-Connect-System
der Kommunikationssignale der Elektronikausrüstungen nach einer Ausführungsform
der Erfindung dar;
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veranschaulicht 8 die
Funktion eines Signal-Cross-Connect nach einer Ausführungsform;
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veranschaulichen
die 9a und 9b jeweils
zwei Technologietypen, die für
den Cross-Connect gemäß der Erfindung
genutzt werden können;
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veranschaulicht 10a die Verwendung einer einzigen Lichtleitfaser
für die
Verbindung zwischen den verschiedenen Ausrüstungen und stellt 10b das Spektrum dar, das man durch die Nutzung
von bekannten optischen Wellenlängenmultiplextechniken
erhält.
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In
allen diesen Figuren tragen Elemente, welche identische Funktionen
erfüllen,
dieselben Bezugsziffern.
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In 2 ist
das Prinzip des zweiphasigen Kühlmittelkreislaufs
mit Kapillarpumpe veranschaulicht.
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Man
sieht auf 2 einen Kühlmittelkreislauf mit Kapillarpumpe 10 des
Typs CPL (für
englisch „Capillary
Pumped Loop"), umfassend
einen Verdampfer 11, einen Kondensator 12 und
einen Druckbehälter 13.
Gestrichelt und schematisch sind ebenfalls dargestellt die Wärmequelle 14,
das heißt,
die (nicht dargestellten) wärmeabgebenden
Ausrüstungen
an Bord eines Satelliten, neben der sich der Verdampfer 11 befindet,
sowie die Wärmeabführungszone 15 an
einer (nicht dargestellten) ausklappbaren Kühlerplatte des Satelliten,
neben der sich der Kondensator 12 befindet.
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Der
Behälter 13 des
Kühlmittels 16,
zum Beispiel Ammoniak, versorgt den Kreislauf 10 über eine Rohrleitung 17 mit
Kühlmittel.
Das Kühlmittel 16,
im flüssigen
Zustand in 2 schraffiert dargestellt, dringt
in den Verdampfer 11 ein, wo es verdampft wird. Der auf
diese Weise erzeugte Dampf (in 2 durch
Punkte dargestellt), läuft über eine
Transportleitung 18 zum Kondensator 12.
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Der
Dampf wird anschließend
im Inneren des Kondensators 12 zur Flüssigkeit kondensiert und kehrt über eine
Transportleitung 19 zum Verdampfer zurück.
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Der
Verdampfer 11 weist innen eine (nicht dargestellte) Kapillarstruktur
auf. Er wird von zwei Verdampferrohren 111 , 112 gebildet, die parallel zueinander
montiert sind und auf ihrer Innenfläche Rillen in Längsrichtung
und am Umfang aufweisen, die sich von einem Ende zum anderen Ende
ihrer Länge erstrecken.
Somit wird die im Verdampfer 11 ankommende Flüssigkeit
radial durch den Kapillardocht angesaugt und erwärmt sich allmählich zur
Außenseite des
Verdampfers hin, wo sich die abzugebende Leistung befindet, mit
einer sehr geringen Durchflussleistung. Sie verdampft anschließend auf
der Oberfläche des
Verdampfers, wo sich Kuppen bilden, welche die Kapillarkraft in
Gang setzen. Die Erhöhung
des Kapillardrucks im Docht ist proportional zur Oberflächenspannung
des Kühlmittels 16 und
umgekehrt proportional zum äquivalenten
Radius der Kuppeln.
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Am
Ausgang aus dem Kapillardocht des Verdampfers 11 wird der
Dampf somit in der Außenhülle des
Verdampfers 11 gesammelt, mit direkter Berührungsfläche zur
Wärmequelle 14.
Aufgrund des Kapillarpumpdrucks im Kreislauf 10 wird dieser Dampf anschließend in
die Dampfleitung geleitet und läuft bis
zum Kondensator 12 ab, der selbst aus zwei parallel zueinander
montierten Kondensatorkreisen 121 und 122 gebildet wird.
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Der
Druckbehälter 13 dient
insbesondere dazu, die Betriebstemperatur des Kreislaufs 10 sowie die
Ansaugpumpe des Kreislaufs 10 zu regulieren.
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Die
Transportleitungen 18 und 19 sind einfache Rohre,
die geringe Druckverluste bewirken und sehr leicht sind; sie können aufgrund
der ihnen eigenen Flexibilität
sehr einfach gebogen werden. Im Allgemeinen bestehen sie aus einer
Aluminiumlegierung oder aus Stahl und weisen einen Innendurchmesser
zwischen 4 und 10 mm auf.
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Was
den Kühler
betrifft, wird dieser klassischerweise heute auf Platten ausgelagert.
Daher sind in 3 ausklappbare Kühler 51 an
einem Satelliten 50 dargestellt (auf 3 sind
nur drei zu sehen). Diese ausklappbaren Kühler sind zur Vereinfachung
der Abbildung Einplattenkühler,
sie können
jedoch durch Mehrplattenkühler
ersetzt werden. Diese Platten sind zu Anfang (beim Start des Satelliten
in seine Umlaufbahn) übereinander
geklappt. Nach dem Start des Satelliten und nachdem er seine Umlaufbahn
erreicht hat, werden diese Platten so ausgeklappt, dass sie eine
große
Wärmeabführungsfläche bilden,
die insbesondere für
die derzeitigen Satelliten mit hoher Leistung benötigt wird.
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4 stellt
schematisch eine Ausführungsform
einer Ausrüstung 20 gemäß der Erfindung
dar, die für
die Zusammenarbeit mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung
mit einphasigem Kühlmittelkreislauf
geeignet ist. Die Ausrüstung 20 ist
tatsächlich eine
gekapselte Ausrüstung,
die ein Elektronikmodul 21 aufweist, wobei letzteres in
Form eines einfachen Blocks, einer Steckkarte oder sogar einer Komponente
vorliegen kann. Die Module des Satelliten geben eine Wärmemenge
ab, und zwar eine Menge, die an die Eigen[heiz]leistung dieser Module
gebunden ist und die sich bei einigen Modulen mit hoher Leistung
als bedeutend erweisen kann (wie bei einem Hochleistungsverstärker, einem
sogenannten HPA-Verstärker
für englisch „High Power
Amplifier"). Um
die Wärmeumgebung
dieser Module innerhalb der Temperaturbereiche zu halten, die mit
ihrer Funktionsweise, ihren Leistungen und der Lebensdauer der spezifizierten
Mission vereinbar ist, muss, wie weiter oben dargelegt, eine Wärmeübertragungsvorrichtung
vorgesehen werden, um diese Wärme
zu sammeln, zu transportieren und in den Weltraum abzuführen.
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Zu
diesem Zweck ist eine Rohrleitung 22 in der Ausrüstung 20 vorgesehen
worden, die so geformt ist, dass sie eine optimale gemeinsame Fläche mit
dem Modul 21 aufweist.
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Diese
Ausrüstung,
die dafür
bestimmt ist, auf einer tragenden Struktur 24 des Satelliten
angeordnet zu werden, umfasst zwei Öffnungen O1 und O2, die jeweils
den Enden der Rohrleitung 22 entsprechen. Außerdem ist
das Modul 21 mit einem Steckverbinder 23 versehen.
Bei seinem Einbau wird die Ausrüstung
gegenüber
den Öffnungen
angeordnet, die den Öffnungen
O1 und O2 entsprechen, und gegenüber
einem Steckverbinder 25. Der Steckverbinder 25 ist
mit einem Bus 33 verbunden, der verschiedene Signale transportiert.
Dieser Bus und die dazugehörigen
Signale sind Gegenstand ausführlicherer Erläuterungen
weiter unten. Wie man sehen wird, kann dieser Bus 33 durch
mehrere Busse ersetzt werden, von denen jeder eigene Signale transportiert,
oder er kann durch eine Lichtleitfaser ersetzt werden.
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Eine
Anschlussvorrichtung 26, die ausschließlich an einer der beiden Öffnungen
dargestellt ist, die in Wirklichkeit jedoch an beiden vorhanden sein
muss, ermöglicht
den Anschluss der Rohrleitung 22 an den beiden Abzweigungen 27 bzw. 28,
welche in die Transportleitung 29 der Wärmeübertragungsvorrichtung münden. Selbstverständlich ist
die Anschlussvorrichtung mit klassischen Mitteln wie geeigneten
Dichtungen versehen, die einen fehlerfreien Anschluss ermöglichen.
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Außerdem umfasst
die Anschlussvorrichtung eine Verriegelungs-/Entriegelungsvorrichtung,
welche die Abzweigungen 27, 28 je nachdem, ob
eine Ausrüstung
auf ihrem Dach vorhanden ist oder nicht, verriegelt oder nicht.
Die Verriegelungs-/Entriegelungsvorrichtung ist schematisch in 4 durch
Ventilklappen 260, 261 dargestellt, die ermöglichen,
das Kühlmittel
entweder durch die Rohrleitung 22 (verriegelter Modus mit
langem Kreislauf) oder durch die Rohrleitung 32 (entriegelter
Modus mit kurzem Kreislauf) umzuleiten, je nachdem, ob die Ausrüstung vorhanden
ist oder nicht.
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Nach
einer in 4a dargestellten Variante setzt
sich die Rohrleitung 22 auf einer zuvor festgelegten Länge über die Öffnungen
O1 und O2 hinaus nach außerhalb
der Ausrüstung 20 fort
und bildet so Außensegmente 30, 31.
Nach dieser Variante erfolgt die Zusammenarbeit zwischen der Ausrüstung 20 und
der Struktur 24 nicht durch eine Übereinstimmung der gegenüberliegenden Öffnungen,
sondern durch eine Einbettung der Segmente 30, 31 in
die jeweiligen Abzweigungen 27, 28. Die Segmente 30, 31 bleiben
fest in den Abzweigungen 27, 28 eingefügt, zum
Beispiel mittels einer Verriegelungs-/Entriegelungsvorrichtung von
der Art wie jener von 4 unter der Bezugsziffer 26.
Selbstverständlich
kann sich die Vorrichtung 26, sei es in dieser Variante
oder in der Form von 4, an einer beliebigen Stelle
befinden, sofern sie ihre Funktion zum Schließen/Öffnen der Kühlmittelzirkulation in der
Rohrleitung 22 erfüllt.
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In
vorteilhafter Weise kann in Betracht gezogen werden, Segmente 30, 31 herzustellen,
die flexibel sind und die an das Wärmeübertragungs-Hauptnetz oder
an jedem anderen günstigeren
Verbindungspunkt angeschlossen würden.
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Es
ist darauf hinzuweisen, dass die Wärmeübertragungsvorrichtung im vorliegenden
Fall dem Typ mit einphasigem Kühlmittelkreislauf
entspricht. Das Kühlmittel 32 in
der Transportleitung 29 nimmt nämlich die vom hoch dissipativen
Elektronikmodul 21 abgestrahlte Leistung auf, wobei es
dadurch seine Temperatur erhöht,
und transportiert diese Leistung, während es sich abkühlt und
sie an einen oder mehrere Kühler
abgibt.
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5 stellt
eine Ausrüstung 20a nach
einer Ausführungsform
der Erfindung dar, die mit einer Wärmeübertragungsvorrichtung mit
zweiphasigem Kühlmittelkreislauf
zusammenarbeitet.
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Außerdem ist
in 5a aus Gründen
der Klarheit die Ausrüstung 20a von
ihrer Trägerstruktur 24 entkoppelt
dargestellt.
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Das
Modul 21, das eine potenzielle Wärmequelle ist, befindet sich
in direkter Nachbarschaft zu einer Verdampferbaugruppe 34.
Die Verdampfungszone der Wärme,
die an einer ausklappbaren Kühlerplatte
liegt, neben der sich der dazugehörige Kondensator befindet,
ist hier natürlich
nicht dargestellt.
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Die
Ausrüstung 20a ist
an der Struktur 24 durch erste Anschlüsse 34 und 35 befestigt,
die den Anschluss von Verdampferrohren 341, 342 an
die Rohrleitung 17 für
die Versorgung mit dem Kühlmittel 16 aus
dem Behälter 13 ermöglichen.
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Außenhüllen der
Verdampferrohre 341, 342, wobei diese Hüllen mit 343 bzw. 344 bezeichnet
sind, ermöglichen,
den an der Oberfläche
der Rohre erzeugten Dampf zu sammeln, was nach den in der Einleitung
dieser Patentanmeldung erläuterten
Prinzipien erfolgt.
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Diese
Hüllen 343 und 344 münden auf
Höhe einer
Rohrleitung 345, die der Kürze halber als Sammelleitung
bezeichnet wird, in die Ausrüstung 20a.
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Die
Sammelleitung wird mittels eines Anschlusses 37 an einer
Transportleitung 36 der Struktur 24 befestigt.
Der in den Außenhüllen 343, 344 im direkten
Kontakt mit dem die Wärmequelle
darstellenden Modul 21 gesammelte Dampf läuft in der Dampfleitung 36 bis
zum Kondensator der Wärme[übertragungs]vorrichtung.
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Das
oben erwähnte,
für die
Ausrüstungen
mit Elektronikmodulen geeignete Modularitätsprinzip kann auch auf die
Kühler
der Wärmeübertragungsvorrichtung
angewendet werden. Daher ist in einer nicht dargestellten Ausführungsform
der Erfindung die Struktur des Satelliten mit standardisierten mechanischen,
thermischen und elektrischen Verbindungsmitteln versehen, die für den Anschluss
mehrerer Kühler
geeignet sind. Diese Ausführungsform
ist besonders vorteilhaft, um eine Gruppe von Ausrüstungen
zu kühlen,
die sehr viel Wärme
abgeben, oder um jedem Kühler
eine Gruppe von Ausrüstungen
zuzuordnen, die einer eigenen Erhitzungstemperatur entsprechen und
somit eine geeignete Kühlung
erfordern. Diese letztgenannte Anwendung ermöglicht vorteilhafterweise,
jede Gruppe von Ausrüstungen geographisch
auf der Struktur zusammenzufassen, indem ihr ein entsprechender
Kühler
zugeordnet wird.
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Das
auf diese Weise zum Ausdruck gebrachte Modularitätsprinzip gilt auch für jede Ausrüstung; so
verfügt
nach einer nicht dargestellten vorteilhaften Variante die Ausrüstung 20 über mehrere
Rohrleitungen 22, von denen jede über eine Schnittstelle des Typs
O1, O2, 27, 26 mit verschiedenen Rohrleitungen 32 verbunden
werden kann, die mit verschiedenen Wärmeübertragungsvorrichtungen verbunden sind.
Jede Rohrleitung 32 weist in dieser Variante eine unterschiedliche
Funktionsweise auf: Temperatur und Leistung wären somit für jede Wärmeübertragungsvorrichtung spezifisch.
Auf diese Weise werden die Module 21 einer Ausrüstung innerhalb
unterschiedlicher Temperaturbereiche gehalten.
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Eine
solche Ausrüstung
kann nun gleichzeitig an mehrere Kreisläufe angeschlossen werden, so dass
sie für
jedes Modul unterschiedliche Temperaturen und abzugebende Leistungen
aufweist: Zum Beispiel kann ein MPM (für englisch „Microwave Power Module"), das aus einer
Verbindung eines CAMP, eines EPC und eines TWT besteht, sehr warme
Zonen (neben dem TWT), andere kältere
Zonen (neben dem CAMP) und Zonen mit wieder anderen Temperaturen
(neben dem EPC) aufweisen.
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Nun
werden genauer die Schnittstellen, insbesondere die elektrischen,
zwischen den Modulen 21 der Ausrüstungen und dem oder den Bus(sen) 33 für den Transport
der Nutzsignale der Struktur beschrieben.
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Dieser
Bus, der die elektrische Schnittstelle der Struktur 24 bildet,
ist beliebig verfügbar
und steht im hinteren Teil der Struktur nach Art eines „Korbbodens" zur Verfügung. Die
beliebige Verfügbarkeit
besteht einerseits darin, dass ständig die Position und die Art
der Verbindung, der Typ und die Merkmale der Signale definiert werden
und andererseits am Bus sämtliche
vorhandenen Signale zur Verfügung
gestellt werden, wobei es Aufgabe des angeschlossenen Moduls 21 ist,
die gewünschten
Signale auszuwählen.
Dieser Bus 33 ermöglicht,
wie nachfolgend erklärt
wird, die Einspeisung der Stromversorgung und der Signale der Hilfseinrichtungen
für die
Erfassung von Messungen und die Steuerung der Ausrüstung (bezeichnet
als TM/TC für „TéléMesure/TéleCommande
[Fernmessung/Fernsteuerung], Bezugswerte für Zeit und Frequenz usw.),
der Hochfrequenz-, analogen oder digitalen „Nutz"-Signale, je nach gewünschter
Mission.
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Zentrale
Organe übernehmen
den Cross-Connect der von den Bussen transportierten Signale. Diese
Organe werden statisch bei der Konzeption der Mission oder dynamisch
während
der Mission durch Programmierung oder Fernsteuerung konfiguriert.
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6 stellt
die Anordnung der Ausrüstungen 20 bezogen
auf die verschiedenen Busse der Struktur des Satelliten nach einer
Ausführungsform
der Erfindung dar. Die Elektronikausrüstungen liegen gekapselt oder
als Karten vor und werden in die mechanische Trägerstruktur 38 eingesteckt,
die ihrerseits fest auf der Struktur 24 befestigt ist,
die für
den mechanischen Halt der Ausrüstungen
sorgt. Die Module 21 sind über ihre Steckverbindungen 23 mit
auf der Trägerstruktur 24 angeordneten
Bussen verbunden. Die Busse fassen die verschiedenen elektrischen Schnittstellen
zusammen: der Bus 39 für
die Einspeisung der elektrischen Leistung, der Bus 40 für die Signale
der Hilfseinrichtungen (TM/TC, OL...), der Bus 41 für die Nutzsignale
(Mikrowelle, Zwischenfrequenz („FI"), digital...) und die Transportleitungen
der Wärmeregelung,
die bereits weiter oben erläutert wurden
(einphasiger oder zweiphasiger Kühlmittelkreislauf...).
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Wie
in 7 veranschaulicht, ermöglicht das Kommunikationssystem 42 nach
einer Ausführungsform
der Erfindung, mit Hilfe der verschiedenen Busse 39–41 und 17 die
Module 21 der Ausrüstungen 20, 20a mit
den verschiedenen Subsystemen des Satelliten zu verbinden: Stromversorgungssystem 43, Wärmeregelungssystem 44 (weiter
oben auch als Wärmeübertragungsvorrichtung
bezeichnet), Hilfseinrichtungssystem und TTC 45 usw. Der
Bus für
die Nutzsignale (Mikrowelle, Zwischenfrequenz („FI"), digital...) ist seinerseits mit einem
Cross-Connect 46 verbunden, der dafür sorgt, dass die funktionelle
Beziehung (Austausch der Nutzsignale) zwischen den Modulen hergestellt
wird. Selbstverständlich
ist der Cross-Connect in einer nicht dargestellten Weise mit den
Betriebsüberwachungsmitteln
des Satelliten verbunden. Unter „Cross-Connect" versteht man in
dieser Patentanmeldung den Vorgang der Signalweglenkung zwischen
Ausrüstungen.
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Ausführlicher
dargestellt, sind die verschiedenen möglichen Busse somit:
- – Der
Bus 39 für
die Stromversorgung, der die verschiedenen Spannungen an die Module
liefert;
- – Der
Bus 40 für
die Hilfseinrichtungen: Auf ihm werden die TM/TC-Signale transportiert,
welche die Erfassung der Fernmessungen und die Steuerung der Module,
die Zeit-, Frequenz- usw. -bezugswerte sicherstellen.
- – Der
Wärmebus 17 in
Form einer Kontaktfläche für den Wärmeaustausch
mit dem Modul („trockener" Wärmeverbinder)
oder in Form von Rohrleitungen und den dazugehörigen Anschlüssen für den Austausch
der Kühlmittel
(ein- oder zweiphasiger Kühlmittelkreislauf),
wie weiter oben erläutert;
- – Der
Signalbus 41: Der Bus für
Mikrowellen mit geringer oder mittlerer Leistung in Koaxialkabeln und
-steckverbindern; der Mikrowellenbus für hohe Pegel in einem Hohlleiter,
der optische Bus mit Lichtwellenleiter, der digitale Bus mit geringer, mittlerer
und hoher Übertragungsgeschwindigkeit...
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Die
allgemeine Verfügbarkeit
des Busses für die
Hilfseinrichtungen kann sich auf die Erfindung stützten, die
Gegenstand der am 27. November 2001 von der Anmelderin unter der
Anmeldenummer
FR 0115302 eingereichten
Patentanmeldung unter dem Titel „Interface dorsale, interface
terminale de communication pour véhicule spatial et réseau de
communication comprenant de telles interfaces" [„Backbone-Schnittstelle,
Abschluss-Kommunikationsschnittstelle für ein Raumfahrzeug und Kommunikationsnetz
mit derartigen Schnittstellen"]
ist. Eine einzige Verbindung über
Lichtleiter ermöglicht
somit gemäß dieser
Erfindung den Zugriff auf alle Hilfseinrichtungen.
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Im
Fall einer Telekommunikations-Nutzlast transportiert der Signalbus 41 Mikrowellen
schwacher, mittlerer und hoher Leistung. Der Cross-Connect 46 des
Busses stellt durch seine statische oder dynamische Programmierung
sicher, dass eine Verbindung zwischen den verschiedenen Modulen
wie der Antenne 47, den rauscharmen Verstärkern 48, den
Empfängern,
den Frequenzumsetzern, den Filtern 49, den Demultiplexern,
den Kanalverstärkern, den
TOP- oder SSPA-Verstärkern 53,
den Vorrichtungen 52 für
Leitweglenkung und Vermittlung usw. hergestellt wird. Der Cross-Connect
ermöglicht
somit, die Architektur der Nutzlast und die Verwaltung der Redundanzen
zu definieren.
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Die 9a und 9b veranschaulichen
jeweils zwei Typen der für
den Cross-Connect
nutzbaren Technologien. In 9a ist
ein Bus 41a mit Koaxialkabel dargestellt. Der Cross-Connect 46a für die Signale
ist ein Mikrowellen-Cross-Connect mit einem Koaxialschalter 54a.
In 9b basiert die allgemeine Verfügbarkeit des Mikrowellenbusses
bei mittlerem Pegel auf dem Einsatz von bekannten optischen Wellenlängenmultiplextechniken
(WDM). Ein Bus 41b aus einer Lichtleitfaser transportiert
die Mikrowellensignale, welche die optischen Trägerwellen unterschiedlicher
Wellenlängen
modulieren, zwischen den Ausrüstungen
A und B.
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Wie
in den 10a und 10b dargestellt, ermöglicht die
Wahl der Wellenlänge
des Senders (bezeichnet durch einen von den Ausrüstungen A, B, C, D, E ausgehenden
Pfeil) und des Empfängers
(bezeichnet durch einen an den Ausrüstungen A, B, C, D, E ankommenden
Pfeil) der Ausrüstungen
A, B, C, D, E, die Signale in einem einzigen optischen Medium zu
multiplexen und die verschiedenen Module getrennt auf den 5 Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4 und λ5 anzusprechen.
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Die
Erfindung ermöglicht,
insbesondere die folgenden Vorteile zu erzielen:
- – Bessere
Nutzung der Volumina im Inneren des Satelliten (Nutzung der Außenwände und
Trennwände).
Der Umstand, dass Ausrüstungen,
Karten, Gehäuse
und Racks im Inneren des Satellitenvolumens eingebaut werden können, ermöglicht eine
dreidimensionale (3D) Anordnung dieser Ausrüstungen im Gegensatz zu der
früheren
eher flächigen
(2D) Architektur, bei der die Ausrüstungen auf ebenen Flächen angeordnet
waren, die den nördlichen
und südlichen
Wärmeabstrahlungsplatten
entsprachen. Die 3D-Anordnung ermöglicht eine Optimierung (Verkürzung) der
Abstände
zwischen Ausrüstungen.
Dies hat positive Auswirkungen auf die Leistungen der Nutzlasten: Reduzierung
der Verluste auf den Mikrowellenwegen, Erhöhung der Übertragungsgeschwindigkeiten
auf den digitalen Leitungen, Reduzierung der Masse der Wärmewege
usw.
- – Standardisierung
der mechanischen, elektrischen und thermischen Schnittstellen der
Ausrüstungen
und die damit verbundenen Vorteile: Erweiterte Fähigkeiten für Reparaturen von Ausrüstungen
(Standardaustausch der Ausrüstung
bei einer Störung
während
AIT), Standard-Testwerkzeug für
die Ausrüstungen
(alle Schnittstellen werden am selben Testfahrzeug getestet), bessere
Vollständigkeit
der Tests an den Ausrüstungen (die
thermischen Schnittstellen werden gemessen und getestet), usw;
- – Allgemeine
Verfügbarkeit
der Schnittstellen für Nutzsignale
und Hilfseinrichtungen (eine physische Schnittstelle und ein einziges
Medium für alle
Signale);
- – Rekonfigurierbarkeit
der Nutzlast während
der Planung oder im Betrieb. Die Definition der Architektur der
Nutzlast erfolgt durch statische oder dynamische Programmierung
der Bus-Cross-Connects.
- – Standardisierung
der Nutzlast und Senkung der Kosten durch Wiederkehreffekt;
- – Flexibilität der Testfähigkeit:
Der Test der Busse auf der Plattform des Satelliten ist unabhängig vom
Test der Module, und die Endmontage wird vereinfacht;
- – Unabhängigkeit
der Anordnung und der Betriebstemperaturen der Ausrüstungen:
durch Aufteilung der Ausrüstungen
nach abgegebenen Leistungen und nach Betriebstemperaturen;
- – Optimierung
des Betriebs der Module durch Wahl der Betriebstemperatur.
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Selbstverständlich ist
die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt. Jedes
Mittel kann durch ein gleichwertiges Mittel ersetzt werden, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen.