-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Gebiet der
Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Weltraumfahrzeug und
insbesondere Weltraumfahrzeug-Solaranordnungen bzw. -Sonnenkollektoren.
-
Beschreibung
des betreffenden Standes der Technik
-
Weltraumfahrzeuge
tragen typischerweise Solarzellen als Hauptenergiequelle, wobei
wiederaufladbare Batterien zur Energiespeicherung für den Betrieb
bei Sonnenfinsternis bereitgestellt sind. Die Solarzellen sind auf
dem Weltraumfahrzeug so positioniert, dass sie der Sonnenstrahlung
ausgesetzt sind.
-
Auf
einem sich drehenden Weltraumfahrzeug sind die Solarzellen im Allgemeinen
um die Außenseite
eines sich drehenden Weltraumfahrzeug-Rumpfs angeordnet. Demgemäß sind nur
ein Teil der Zellen der Sonnenstrahlung zu einem Zeitpunkt ausgesetzt.
Auf einem Rumpf-stabilisierten Weltraumfahrzeug sind im Gegensatz
dazu die Solarzellen typischerweise in planaren Anordnungen angeordnet
und werden von Solarflügeln
getragen, die sich von gegenüberliegenden
Seiten eines Weltraumfahrzeug-Rumpfs erstrecken. Vorzugsweise drehen
sich die Solarflügel,
um sie so orthogonal wie möglich
zu der Sonnenstrahlung zu halten. Da die Solarflügel in ihrer entfalteten Konfiguration
sehr lang sein können,
sind sie im Allgemeinen aus einer Vielzahl von planaren Solartafeln
ausgebildet, die miteinander in einer Ziehharmonika-Anordnung gekoppelt sind,
so dass sie zu einer kleineren verstauten Konfiguration für den Weltraumfahrzeug-Start
zusammengebracht werden können.
-
Die
Anzahl der Solarzellen, die von einem Weltraumfahrzeug getragen
werden muss, ist eine Funktion des vorhergesagten Weltraumfahrzeug-Leistungsverbrauchs
und der Wirksamkeit der Solarzellen. Obgleich hocheffiziente Solarzellen
die Anzahl der von einem spezifischen Weltraumfahrzeug benötigten Zellen
reduziert, sind sie sehr teuer. Da die Gewichts- und gewichtsbezogenen
Kosten ebenfalls mit der Anzahl der Solarzellen wachsen, gibt es
beträchtliche
Bestrebungen, die Anzahl der Solarzellen zu reduzieren, die ein
Weltraumfahrzeug tragen muss.
-
Demgemäß wurden
die Anstrengungen ausgedehnt, um Sonnenstrahlung auf Solarzellen
mit reflektierenden Oberflächen
zu konzentrieren, die positioniert werden, um die Strahlung auf
die Zellen zu reflektieren. Solar- bzw. Sonnenstrahlung, die ansonsten
an einem Solarflügel
vorbeiginge, wird somit neu ausgelenkt, um auf die Solarzellen zu
treffen. Die Energieumwandlungseffizienz dieser reflektierten Strahlung
ist typischerweise kleiner als die von direkter Strahlung aufgrund
eines kleineren Einfallswinkels. Die zusätzliche Strahlung trägt ebenfalls
dazu bei, die Solarzelle zu erhitzen, was die Umwandlungseffizienz
von Strahlung in elektrische Energie verschlechtert. Nichtsdestoweniger
erleichtert die zusätzlich
eintreffende Strahlung eine wesentliche Reduzierung der Anzahl von
Weltraumfahrzeug-Solarzellen mit dem Ergebnis von Einsparungen beim Weltraumfahrzeuggewicht
und den Kosten.
-
Eine
Vielzahl von Reflektorsystemen wurde vorgeschlagen. Bei einem beispielhaften
System des US-Patents 4,284,394 werden Reflektorarme sowohl auf
dem bordinneren als auf dem bordäußeren Rahmen
getragen. Jeder der Reflektorarme wird aus einer Vielzahl von gelenkig
verbundenen Armabschnitten gebildet, und jeder Armabschnitt des
bordinneren Rahmens trägt
eine reflektierende Kunststoffschicht, die auf eine federvorgespannte
Rolle gewickelt ist. Ein Ende jeder Platte ist an einem jeweiligen Armabschnitt
auf dem bordäußeren Rahmen
angebracht.
-
Während der
Entfaltung bewegt eine verlängerbare
Welle den bordäußeren Rahmen
weg von dem bordinneren Rahmen und jede reflektierende Platte wird
ausgerollt, um Solarstrahlung auf die Solarzellen zu reflektieren.
Obgleich dieses Reflektorsystem Solarstrahlung konzentriert, trägt dessen komplexer
Aufbau (bspw. gelenkig verbundene Arme, bordäußere und bordinnere Rahmen
und verlängerbare
Welle) wesentlich zu dem Weltraumfahrzeuggewicht und den Kosten
bei.
-
Bei
einem Naval-Research-Laboratory-Design werden einstückige Dünnfilmreflektoren
auf gegenüberliegenden
Seiten einer Vielzahl von Solartafeln positioniert, die in einer
Ziehharmonika-Anordnung miteinander verbunden sind. Die Ränder jedes Dünnfilmreflektors
tragen Kabel, die mit Zugfedern zwischen einem Paar von drehbaren
Galgen gekoppelt sind. Die Zugfedern bringen die Kabel dazu, eine Kettenlinienform
anzunehmen, die die Flachheit des Reflektorfilms erhöht. Um die
Solartafeln in eine verstaute Position zu falten, drehen die Galgen,
um längs der
Tafeln zu liegen und der Dünnfilmreflektor wird
aufgerollt (bspw. von der Reflektormitte), so dass er parallel zu
den Galgen liegt. Obgleich dieses Reflektorsystem potentiell leichter
und einfacher ist als das zuvor beschriebene System, umfasst es
weiterhin zahlreiche mechanische Teile (bspw. Galgen, Kabel und
Rollen), die wesentliches Gewicht haben.
-
Andere
Reflektorsysteme sind in den US-Patentanmeldungen mit dem Aktenzeichen
08/081,909, angemeldet am 18. Juni 1993 (als continuation der Anmeldung
mit dem Aktenzeichen 07/802,972, angemeldet am 6. Dezember 1991),
mit dem Titel „Augmented
Solar Array with Dual Purpose Reflectors", die auf Hughes Electronics der Inhaberin
der vorliegenden Erfindung übertragen
ist. Bei einem beispielhaften System ist ein Reflektor aus einem
reflektierenden Material gebildet (bspw. ein mit Aluminium beschichteter
Polyimidfilm), der von einem Umfangsrahmen getragen wird oder an
einem gerippten Aufbau oder einer dünnen Metallplatte angebracht
ist. Jeder Reflektor ist mit einer Solartafel über einen Scharniermechanismus
gekoppelt. Vor dem Start des Weltraumfahrzeugs wird der Reflektor
gedreht, um nahe an der Solarzellenstirnfläche der Solartafel zu liegen.
Nach dem Start dreht der Scharniermechanismus den Reflektor in eine
Position, in der er einen Entfaltungswinkel mit der Solarzellenstirnfläche bildet.
Bei einem beispielhaften Scharniermechanismus zwingt eine Scharnierfeder
den Reflektor dazu, sich weg von der Solarzellenstirnseite zu drehen.
Der Scharniermechanismus umfasst ein Anschlagelement, das diese
Drehung anhält,
wenn der Reflektor den Entfaltungswinkel erreicht.
-
DE 1 764 428 A1 offenbart
eine Solarzellenanordnung mit Reflektormitteln zum Reflektieren
der Strahlung auf die Solar zellen. Die reflektierende Platte wird
von einer Stabanordnung getragen, die zwei Teleskopstäbe und eine
Rolle umfasst. Beide Teleskopstäbe
sind mit der Solarzellentafel über
Scharniere verbunden, um eine Drehbewegung aus der verstauten Position
in die entfaltete Position zu ermöglichen.
-
Die
reflektierende Platte ist auf der Rolle aufgerollt und wird während der
Verlängerung
der Teleskopstäbe
abgewickelt.
-
US 5,520,747 A1 offenbart
eine faltbare Solaranordnung niederer Konzentration für ein Weltraumfahrzeug,
das eine Reihe von Solarzellen aufweist, die aus einer gefalteten
verstauten Konfiguration in eine planare Konfiguration entfaltet
werden können.
Wenn die Solartafeln verstaut sind, dämpft und schützt die
Unterlage der Reflektortafeln die Solartafeln gegenüber Spannungen
und Vibrationen beim Start und während
des Weltraumflugs. Sobald die Solartafeln in eine entfaltete planare
Konfiguration ausgedehnt sind, werden die Reflektortafeln angehoben,
um Sonnenlicht auf die Solartafeln zu konzentrieren.
-
Bei
einer anderen Reflektorsystemanordnung werden Reflektoren durch
Aufhängen
eines reflektierenden Films zwischen einem Paar von flexiblen Stäben hergestellt,
die starr mit einer Solartafel verbunden sind. Die Stäbe sind
typischerweise derart angebunden, dass die Reflektoren parallel
zu der Solarzellenstirnseite vor dem Weltraumfahrzeugstart liegen.
Das Entfalten wird durch Losbinden bewirkt, was es ermöglicht,
dass die Stäbe
direkt in eine Position wippen, in der der reflektierende Film einen
entfalteten Winkel mit der Tafel bildet.
-
Obgleich
das letztgenannte Reflektorsystem wirksam Strahlung umlenkt, sind
die Solarreflektoren über
der Solarzellenstirnseite der Solartafeln verstaut. Demgemäß blockieren
sie die Benutzung der Solartafeln ständig, (bspw. einer Transferumlaufbahn),
während
die Solartafeln in einer Speicherposition sind, die eine Reflektorentfaltung
verhindern.
-
ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung ist auf einen einfachen, leichtgewichtigen
und kostengünstigen
Solarreflektor gerichtet, der Solarstrahlung auf eine Tafelstirnseite
einer Solartafel konzentriert und benachbart einer Rückfläche der
Tafel verstaut werden kann.
-
Diese
Ziele werden mit zumindest einer flexiblen reflektierenden Platte
realisiert, die ein inneres Teil und ein äußeres Teil aufweist, mit zumindest
einem inneren Feder-Bauelement,
das das innere Teil mit der Tafel verbindet und das innere Teil
in Richtung der Tafel zwingt, und zumindest ein äußeres Feder-Bauelement, das
das äußere Teil
mit der Tafel verbindet und das äußere Teil
weg von der Tafel zwingt, so dass das innere und das äußere Feder-Bauelement
zusammen die reflektierende Platte in Richtung einer planaren Konfiguration
zwingen.
-
Das äußere Feder-Bauelement
ist angeordnet, um die reflektierende Platte bzw. Tafel entlang
einer Drehung weg von der Tafelstirnfläche zu drehen und zumindest
ein Sperr-Bauelement ist angeordnet, um diese Drehung zu begrenzen,
so dass die reflektierende Tafel in einer entfalteten Position gesperrt wird,
in der sie einen Winkel mit der Tafel bildet, um Sonnenstrahlung
auf die Tafelstirnfläche
zu reflektieren. Ein Anschlag wird von der Tafel getragen, an den ein
innerer Bereich des äußeren Feder-Bauelements anschlägt, um das
Drücken
des äußeren Feder-Bauelements
zu erleichtern, was zu einer Tafeldrehung führt.
-
Bei
einer Ausführungsform
ist die reflektierende Tafel ein Metall-beschichtetes Dünnfilmpolymer,
sind das innere und das äußere Feder-Bauelement
federnde, längliche
Bauelemente und das Sperrelement ist ein Halteseil. Demgemäß sind Reflektoren
der Erfindung extrem leicht und kostengünstig. Vorzugsweise sind die
Feder-Bauelemente und das Halteseil elektrisch leitfähig, um
Leitungspfade auszubilden, die möglicherweise
zerstörende elektrostatische
Ladungen weg von der reflektierenden Tafel entladen.
-
Vorzugsweise
sind die Feder-Bauelemente drehbar mit der Tafel verbunden, um eine
Drehung der reflektierenden Tafel und der Feder-Bauelemente in eine
verstaute Position hinter der Tafel zu erleichtern. Das äußere Feder-Bauelement
dreht um einen Rotationspunkt und eine Führung nimmt das Halteseil auf,
wenn das Feder-Bauelement in der verstauten Position ist. Die Führung ist
ausgelegt, um das Halteseil entlang eines Führungspfads zu führen, der beabstandet
von dem Drehpunkt ist, um ein mechanisches Drehmoment zu erzeugen
und damit eine automatische Drehung des äußeren Feder-Bauelements aus
der verstauten Position in die entfaltete Position zu erleichtern.
-
Da
jede reflektierende Tafel hinter ihrer jeweiligen Solartafel gelagert
ist, kann zumindest eine Solartafel während einer Zeitdauer positioniert
werden (bspw. einer Transferumlaufbahn).
-
Die
neuen Merkmale der Erfindung sind in Ausführlichkeit in den angehängten Ansprüchen ausgeführt. Die
Erfindung wird am besten aus der nachfolgenden Beschreibung verstanden,
wenn sie in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen gelesen
wird.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Weltraumfahrzeugs in einer Umlaufbahnebene
um einen Himmelskörper;
-
2A–2C sind
vergrößerte Ansichten eines
Solarflügels
auf dem Weltraumfahrzeug von 1, die die
Bewegung des Solarflügels
zwischen einer verstauten Konfiguration und einer entfalteten Konfiguration
darstellen;
-
3 ist
eine vergrößerte Ansicht
einer Solartafel in dem Solarflügel
von 2C, die eine Solarreflektorausführungsform
der vorliegenden Erfindung darstellt;
-
4 ist
eine Endansicht der Solartafel und der Solarreflektoren von 3;
-
5 ist
eine Ansicht ähnlich
zur 4, die die Konzentration der Solar- bzw. Sonnenstrahlung auf
die Solartafel durch die Solarreflektoren darstellt;
-
6 ist
eine Ansicht ähnlich
zu der von 4, die eine Zwischenposition
der Solarreflektoren zwischen der entfalteten Position von 4 und der
verstauten Position zeigt;
-
7 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Aufbaus innerhalb der gekrümmten
Linie 7 von 6 mit einem äußeren Feder-Hauelement von 6 in einer
verstauten Position;
-
8 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines inneren Bereichs des äußeren Feder-Bauelements
von 3, die die Feder-Bauelementbewegung zwischen der entfalteten
und der verstauten Position zeigt;
-
9A ist
eine Rückansicht
benachbarter Solartafeln des Solarflügels von 2C,
die abwechselnde verstaute Positionen der äußeren Feder-Bauelemente von 3 zeigt;
-
9B zeigt
die äußeren Feder-Bauelemente
von 9A, wenn die Solartafeln in die verstaute Konfiguration
von 2A gefaltet sind;
-
10 ist
eine vergrößerte Ansicht
des Aufbaus innerhalb der gekrümmten
Linie 10 von 3, die eine drehbare Verbindung
zwischen einer reflektierenden Tafel und einem äußeren Feder-Bauelement von 3 zeigt;
-
11A und 11B sind
vergrößerte Ansichten
eines inneren Feder-Bauelements von 3, die drehbar
gekoppelte Ausführungsformen
zwischen einem inneren Feder-Bauelement und einer reflektierenden
Tafel von 3 zeigt; und
-
12 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines inneren Bereichs eines äußeren Feder-Bauelements von 3,
die eine andere drehbare Verbindungsausführungsform zwischen dem äußeren Feder-Bauelement
und der Solartafel von 3 zeigt.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
-
1–12 zeigen
Solarreflektoren, in denen flexible leichtgewichtige reflektierende
Tafeln mit inneren und äußeren Feder-Bauelementen
positioniert sind, die jede Tafel in eine planare Konfiguration zwingen
und ferner die Tafel zu einer Drehung weg von einer Solartafelstirnfläche bringen.
Sperr-Bauelemente
begrenzen diese Drehung, um die Tafel in einer entfalteten Position
zu positionieren, in der sie einen Winkel mit der Tafel bilden,
um Solarstrahlung auf die Tafelstirnfläche zu reflektieren. Die vergrößerte eintreffende
Strahlung erlaubt eine Reduzierung der Anzahl der Solarzellen mit
der Folge, dass Weltraumfahrzeugkosten und Gewicht gespart werden. Zusätzlich werden
die reflektierenden Tafeln hinter ihrer jeweiligen Solartafel gespeichert.
-
Insbesondere
zeigt 1 ein rumpfstabilisiertes Weltraumfahrzeug 20,
das in einer Umlaufbahnebene 22 um einen Himmelskörper wandert, wie
bspw. die Erde 24. Die Lage des Weltraumfahrzeugs kann
mit Bezug auf ein orthogonales Koordinatensystem 30 beschrieben
werden, das einen Ursprung im Massenzentrum des Weltraumfahrzeugs hat.
Das Koordinatensystem 30 umfasst eine Gierachse 31,
die auf die Erde 24 gerichtet ist, eine Nickachse 32,
die orthogonal zu der Umlaufbahnebene 22 ist und eine Rollachse 33,
die mit einem Geschwindigkeitsvektor des Weltraumfahrzeugs 20 ausgerichtet
ist.
-
Das
Weltraumfahrzeug 20 besitzt einen Rumpf 34, der
ein Paar von Solarflügeln 35 und 36 trägt, die
um die Nickachse 32 drehen, so dass die Solarzellen der
Solarflügel
so orthogonal wie möglich zu
einer Sonnenlinie 38 zwischen einer Sonne (nicht gezeigt)
und dem Weltraumfahrzeug 20 sind. Solange jedoch die Solarflügel nicht
auch gegenüber
der Nickachse 32 geneigt werden können, werden sie von der Sonnenlinie 38 im
Sommer- und im Winterhalbjahr gekippt, da die Erde in einer Umlaufbahnebene
wandert, die gegenüber
der Äquatorialebene der
Erde gekippt ist. Typischerweise trägt auch der Weltraumfahrzeug-Rumpf 33 Antennen 40 und 41 zur
Kommunikation mit Erdstationen und Triebwerke 42 und 43 zur
Aufrechterhaltung einer Weltraumfahrzeug-Positionshaltung und Lagesteuerung.
-
Jeder
der Solarflügel 35 und 36 ist
typischerweise aus einer Vielzahl von gelenkig miteinander verbundenen
Solartafeln bzw. Kollektoren 46 ausgebildet, wie in 2A gezeigt.
Diese Figur zeigt auch, dass die Tafeln 46 in einer Ziehharmonika-ähnlichen Weise
gefaltet wurden in eine verstaute Konfiguration 48 benachbart
dem Weltraumfahrzeug-Rumpf 33. In 2B sind
die Solartafeln 46 in einer Drehung um die inneren Tafelscharniere 50 gezeigt,
die sie zu der planaren entfalteten Konfiguration 52 von 2C verlängern.
-
1 zeigt
Paare von Solarreflektoren 60 der vorliegenden Erfindung,
die von den Solarflügeln 35 und 36 getragen
werden, um Sonnenstrahlung auf die Solarzellen der Flügel zu konzentrieren.
Die Solarreflektoren 60 sind ebenfalls in der entfalteten
Konfiguration 52 von 2C gezeigt.
Obgleich nicht speziell in den 2A und 2B gezeigt,
drehen die Solarreflektoren 60 in gespeicherte Positionen
hinter ihrer jeweiligen Solartafel vor dem Ausfalten der Tafeln
in die verstaute Konfiguration 48 von 2A.
-
Die
vergrößerte Ansicht
von 3 und 4 zeigen eine einzelne Solartafel 46,
die sich seitlich zu einem Tafelumfang 55 erstreckt und
eine Anordnung von Solarzellen 56 auf der Tafelstirnfläche 57 trägt. Ein
Paar von Solarreflektoren 60 ist der Solartafel 46 zugeordnet
und jeder Reflektor umfasst eine reflektierende Tafel 62,
die einen inneren Teil in Form eines inneren Rands 64 und
einen äußeren Teil in
Form eines äußeren Rands 66 aufweist.
Innere Feder-Bauelemente 68 verbinden den inneren Rand 64 mit
der Solartafel 46, und äußere Feder-Bauelemente 70 verbinden
den äußeren Rand 66 mit
der Solartafel (um klarer andere Strukturen zu zeigen, sind die inneren
Feder-Bauelemente
aus 4 weggelassen).
-
Die
inneren Feder-Bauelemente 68 sind angeordnet, um den inneren
Rand 64 in Richtung der Solartafel 46 federnd
zu zwingen, und die äußeren Feder-Bauelemente 70 sind
angeordnet, um den äußeren Rand 66 weg
von der Solartafel 46 zu zwingen. Zusätzlich sind die inneren Feder-Bauelemente 68 mit
unterschiedlichen Bereichen des inneren Rands 64 verbunden
(bspw. den gegenüberliegenden Ecken 71 und 72 von 3)
und sind angeordnet, um diese Randbereiche weg voneinander zu bringen.
In gleicher Weise sind die äußeren Feder-Bauelemente 70 mit
unterschiedlichen Bereichen des äußeren Rands 66 verbunden
(bspw. gegenüberliegende
Ecken 73 und 74 von 3), und
sind angeordnet, um diese Randbereiche weg voneinander zu zwingen.
Somit zwingen das innere und das äußere Feder-Bauelement zusammen
die reflektierende Tafel 62 in Richtung einer planaren
Konfiguration. Demgemäß erreichen
sie ein statisches Gleichgewicht und gleichen thermische Veränderungen
in der reflektierenden Tafel aus.
-
Bei
der Ausführungsform
der 3 und 4 ist jedes der inneren Feder-Bauelemente 68 aus
einem federnden länglichen
Bauelement geformt, das mit dem Umfang 55 der Solartafel 46 über ein
Scharnier 76 drehbar verbunden ist (um andere Strukturen
deutlicher zu zeigen, ist das Scharnier aus 4 weggelassen).
Wenn die inneren Feder-Bauelemente 68 durch die reflektierende
Tafel 62 und die äußeren Feder-Bauelemente 70 in
einen gestörten Zustand
gezogen werden, nehmen die inneren Feder-Bauelemente 68 die
gebogene Konfiguration von 3 an, in
der sie die gegenüberliegenden
Ecken 71 und 72 weg voneinander und in Richtung
der Solartafel 46 zwingen.
-
In
der Ausführungsform
von 3 und 4 ist jedes der äußeren Feder-Bauelemente 70 ebenfalls
aus einem federnden länglichen
Bauelement geformt, das drehbar mit dem Umfang 74 der Solartafel verbunden
ist. Diese drehbare Verbindung kann mit verschiedenen Aufbauten
erreicht werden, wie bspw. dem Scharnier 80 von 3 (um
andere Aufbauten klarer zu zeigen, ist das Scharnier in 4 weggelassen)
oder einer Schnur, die mit Bezug auf die 10 nachfolgend
beschrieben ist. Ein Anschlag 82 ist so angeordnet, dass
er einen inneren Bereich des äußeren Feder-Bauelements 70 winkelbeschränkt. Dieser
innere Bereich ist entsprechend entlang einer gestrichelten Richtungslinie 88 ausgerichtet.
-
Jeder
Solarreflektor 60 umfasst ebenfalls Sperrelemente in Form
von Halteseilen 90, die bspw. aus einer flexiblen Schnur
gebildet sind und zwischen dem äußeren Rand 66 (bspw.
den gege nüberliegenden
Ecken 73 und 74) und der gegenüberliegenden Seite des Umfangs 55 der
Solartafel verbunden sind. Aufgrund des Gegensatzes zwischen der
Sperraktion der Halteseile 90 und der Anschlagaktion des
Anschlags 82 wird jedes äußere Federelement 70 in
einen gestörten
Zustand gezogen und nimmt die Bogenkonfiguration von 3 und 4 an.
Bei dieser Konfiguration drücken
die äußeren Feder-Bauelemente 70 die
gegenüberliegenden
Ecken 73 und 74 weg voneinander und ebenfalls
weg von der Solartafel 46.
-
Die
federnden äußeren Feder-Bauelemente 70 versuchen,
in einen entspannten linearen Zustand sich zu bewegen, und um dies
zu tun, zwingen sie die reflektierende Tafel 62 entlang
einer Drehung weg von der Tafelstirnfläche 57. Diese Drehung
wird durch die Halteseile 90 begrenzt, so dass die reflektierende
Tafel 62 in der entfalteten Position von 3 und 4 gesperrt
ist. In dieser entfalteten Position definiert die reflektierende
Tafel 62 einen entfalteten Winkel 92 mit der Solartafel 46 und
einem Sperrwinkel 93 mit der Richtungslinie 88 (Winkel 92 und 93 sind
nur in 4 gezeigt). Der entfaltete Winkel 92 ist ausreichend,
um durch die reflektierende Tafel 62 Strahlung auf die
Tafelstirnfläche 57 zu
strahlen. Die Länge
des Halteseils 90 und der Winkel, der durch den Anschlag 82 vorgegeben
ist, drückt
das äußere Feder-Bauelement 70 in
einen gewünschten
entfalteten Winkel. Der Anschlag dient dazu, die reflektierende
Tafel 62 in Richtung einer verstauten Position zu drücken, während das
Halteseil dazu dient, die reflektierende Tafel 62 in einer
entfalteten Position zu sperren. Diese Aktionen gleichen sich federnd
aus.
-
Zusammen
bilden die inneren Feder-Bauelemente 68, die äußeren Feder-Bauelemente 70 und die
Sperr-Bauelemente 90 Entfaltungsstrukturen 94, die
die reflektierenden Tafeln 62 so positionieren, dass sie
Solar- bzw. Sonnenstrahlung auf die Solartafeln 46 konzentrieren.
Insbesondere halten die inneren Feder-Bauelemente 68 den inneren
Rand 64 und gleichen damit die statischen Kräfte aus,
die jede der reflektierenden Tafel 62 in der gewünschten
reflektierenden Position halten.
-
Die
wirksame Konzentration von Solarstrahlung ist in 5 gezeigt,
die eine Ansicht ähnlich
der 4 ist, wobei ähnliche
Elemente durch ähnliche Bezugszeichen
gekennzeichnet sind. In einem mittleren Bereich von 5 fällt Solarstrahlung 100 direkt auf
die Tafelstirnfläche
bzw. Fläche 57 der
Solartafel 46. In äußeren Gebieten
von 5 wird Solarstrahlung 102, die andernfalls
die Solartafel 46 passieren würde, von den reflektierenden
Tafeln 60 reflektiert, um auf die Tafelstirnfläche 57 zu
fallen.
-
Die
Solarzellenumwandlungseffizienz der eintreffenden Solarstrahlung
in elektrische Energie ist eine Funktion des Einfallwinkels und
fällt allgemein
mit geringeren Einfallwinkeln ab. Entsprechend wird die Strahlung 102,
die auf die Tafelfläche 57 durch
die Solarreflektoren 60 reflektiert wird, in Energie mit
einer geringeren Effizienz umgewandelt als die Solarstrahlung 100,
die direkt auftrifft (eine größere Wirkung
auf die Umwandlungseffizienz aller eintreffenden Strahlungen wird
durch die höhere
Wärme der
Solarzellen verursacht). Nichtsdestoweniger wird die Ausgangsleistung
der Solarzellen der Solartafel 46 signifikant erhöht durch
Hinzufügen
der neu ausgerichteten Strahlung 102. Demgemäß erleichtern die
Solarreflektoren 60 eine Reduzierung der Anzahl von Solarzellen,
die für
eine vorgegebene Weltraumfahrzeug-Energiesenke benötigt wird.
-
4 ist
eine Endansicht der Solarreflektoren 60 in ihrer entfalteten
Position. Aus diesem Zustand können
die Reflektoren leicht in eine verstaute Position hinter ihrer zugehörigen Solartafel 46 gedreht
werden, wie in 6 und 7 dargestellt.
Die äußeren Feder-Bauelemente 70 werden
manuell weg von der Tafelfläche 57 gedreht
und in Richtung der Solartafelrückfläche 106 (die
Scharniere 80 sind in 6 weggelassen,
um andere Strukturen deutlicher zu zeigen). Jedes Halteseil 90 wird
in dem Tafelumfang 55 in einer Halteseilführung 110 aufgenommen.
-
Vorzugsweise
besitzt jede Führung 110 einen
U-förmigen
Querschnitt, so dass das Halteseil seitlich gehalten wird (wie in 7 durch
einen Pfad 112 mit gestrichelter Linie gezeigt ist) und
nicht aus der Führung
herausgleitet. Aufgrund der Sperr-Aktion des Halteseils wird das äußere Ende
des äußeren Feder-Bauelements 70 näher an das
Scharnier 76 gezogen, wenn es in Richtung der Rückfläche 106 gedreht
wird. Demgemäß wird die
Störung
des äußeren Feder-Bauelements 70 erhöht, was
eine gespeicherte Energie bereitstellt, um den Solarreflektor (60 in 3)
zu entfalten. Um dem reduzierten Abstand zwischen den Enden des äußeren Feder-Bauelements
Rechnung zu tragen, sind die reflektierenden Tafeln 62 wie
in 6 gezeigt, gefaltet.
-
In 7 hat
ein äußeres Feder-Bauelement 70 seine
verstaute Position benachbart der Tafelrückfläche 106 erreicht.
Ein Dreh- bzw. Rotationspunkt wird errichtet (bspw. durch das Scharnier 80),
um den das äußere Feder-Bauelement 70 dreht, wenn
es zwischen der verstauten Position und seiner entfalteten Position
dreht (3–5).
Die Führung 110 ist ausgelegt,
um einen Pfad 112 so zu konfigurieren, dass zumindest ein
Teil dieses Pfads gegenüber
dem Drehpunkt des Scharniers 80 beabstandet ist (bspw. durch
einen Abstandshalter 114). Bei der Ausführungsform von 7 bildet
die Führung 110 einen gekrümmten Pfad 112,
so dass wenn das Halteseil 90 längs des Führungspfads 112 geführt ist,
es gegenüber
dem Drehpunkt des Scharniers 80 an allen Teilen dieses
Pfads beabstandet ist.
-
Aufgrund
des Abstands 114 enthält
ein Teil der zwingenden Kraft des gestörten äußeren Feder-Bauelements 70 gegen
die Sperrung des Halteseils 90 eine nach unten gerichtete
Vektorkomponente, die eine Drehbewegung des äußeren Feder-Bauelements 70 aus
ihrer verstauten Position von 7 in ihre
entfaltete Position von 3–5 auslöst (d.h.
die Beabstandung erleichtert eine automatische Drehung des äußeren Feder-Bauelements aus seiner
verstauten Position in seine entfaltete Position). Die Führung 110 und
dessen Pfad 112 verursachen ein mechanisches Moment (d.h.
ein Drehmoment), das in dem äußeren Feder-Bauelement 70 erzeugt werden
soll, das es weg von seiner verstauten Position zwingt. Obgleich
die Führung 110 wie
in 7 konfiguriert ist, um einen gebogenen Führungspfad 112 auszubilden,
können
andere Pfade das benötigte mechanische
Moment ebenfalls erzeugen.
-
Demgemäß drehen,
wenn die Solartafeln 46 sich aus ihrer verstauten Anordnung
von 2A in ihre entfaltete Konfiguration von 2C entfalten, ihre
jeweiligen Solarreflektoren von ihren Rückflächen in die entfaltete Position
von 2C. Vorzugsweise wird diese Drehung verzögert, um
zu gewährleisten, dass
sie nicht die Ziehharmonikabewegung der Solartafel 46 um
ihre Scharniere 50 stören.
Diese Verzögerung
kann durch Einfangen jedes äußeren Feder-Bauelements 70 in
seine jeweilige Tafel 46 mit einer lösbaren Sperre erreicht werden
(bspw. eine mechanische Verriegelung oder ein Explosionsbolzen).
Sobald die Tafeln 46 sicher in ihre entfaltete Konfiguration
von 2C entfaltet sind, können die Sperren gelöst werden
und die äußeren Feder-Bauelemente
bewegen sich automatisch in ihre entfaltete Position von 2C.
-
Die
Bewegung der äußeren Feder-Bauelemente 70 zwischen
ihrer entfalteten und ihrer verstauten Position wird ferner verbessert
durch Bereitstellen des inneren Endes mit einer drehbaren Befestigung,
wie in 8 gezeigt. Ein Scharnierblatt 116 erstreckt
sich nach außen
von dem Scharnier 80 (unterhalb des Anschlags 82),
das das innere Ende 118 der äußeren Feder-Bauelemente 70 (bspw. durch Mittel
eines Stifts 120) drehbar trägt. Das innere Ende 118 kann
somit zwischen einer entfalteten Position 118A und einer
der verstauten Positionen 118B und 118C drehen.
In der verstauten Position 118B ist das Ende 118 weg
von dem mittleren Bereich der Tafel gerichtet. In der verstauten
Position 118C ist das Ende 118 längs des
mittleren Bereichs der Tafel nach oben gerichtet. Die verstauten
Positionen 118B und 118C verbessern die Fähigkeit
der äußeren Feder-Bauelemente 70,
parallel zu der Tafelrückseite 106 zu
liegen, wenn sie in der verstauten Position von 7 sind.
-
Die
verstauten Positionen 118B und 118C ermöglichen
ebenfalls, dass die äußeren Feder-Bauelemente 70 den
begrenzten Raum zwischen den Rückflächen benachbarter
Solartafeln 46 ausnutzen. 9A zeigt
bspw. die Rückflächen 106 benachbarter Tafeln 46A und 46B,
wenn sie in der entfalteten Konfiguration von 2C sind.
In jeder dieser Tafeln werden die äußeren Feder-Bauelemente auf
ihrem jeweiligen Scharnierblatt 116 gedreht. Ein Satz von äußeren Feder-Bauelementen 70 ist
mit ihren inneren Enden 118 in der verstauten Position 118B verstaut,
und der andere Satz ist mit ihren inneren Enden 118 in
der verstauten Position 118C verstaut. Diese Anordnung
kann in der benachbarten Solartafel 46B umgekehrt sein.
-
Im
Ergebnis überlappen
sich die äußeren Feder-Bauelemente
nur an diskreten Kreuzungspunkten, wenn die Tafeln in der verstauten
Konfiguration von 2A sind, wie in 9B gezeigt
(aus Klarheitsgründen
wird die Tafel 46A als transparent bei dieser Ansicht betrachtet).
Im Ergebnis können
die äußeren Feder-Bauelemente
leichter in den Raum zwischen den Rückflächen der benachbarten Solartafeln 46A und 46B aufgenommen
werden. Um Abnutzung auf den äußeren Feder-Bauelementen 70 an den
Kreuzungspunkten zu reduzieren, können die Elemente weiche federnde
Krägen 119 tragen
(bspw. ein Schaumgummi), wie an einem beispielhaften Kreuzungspunkt
in 9A gezeigt.
-
Die äußeren Enden
der äußeren Feder-Bauelemente 70 sind
vorzugsweise mit ihrer jeweiligen reflektierenden Tafel 62 verbunden,
um eine freie Bewegung an der Tafel zu erleichtern. Diese drehbare Verbindung
kann realisiert werden bspw. mit einer flexiblen Schnur 121,
die von einem Loch 122 in einem äußeren Ende 123 des äußeren Feder-Bauelements 70 und
einem Loch 124 nahe dem äußeren Rand 66 der
reflektierenden Tafel 62 aufgenommen ist, wie in 10 gezeigt.
Dieses Halteseil 90 des äußeren Feder-Bauelements kann
ebenfalls in dem Loch 122 aufgenommen sein. Andere beispielhafte
drehbare Verbindungen können
durch Aufnahme des äußeren Endes 123 in
einem Becher ausgebildet werden, der von der Tafelecke 74 getragen
wird und mit einem Kugel-Pfannen-Aufbau ausgebildet ist, der zwischen dem äußeren Ende 123 und
der Tafelecke 74 geteilt wird. Vorzugsweise ist die Tafelecke 74 durch
eine Verdoppelung 125 gestärkt, die durch eine gestrichelte
Linie angedeutet ist. Zusätzlich
können
alle Kanten der Tafel 62 durch Bildung ähnlicher Dopplerstrukturen
verstärkt
werden.
-
Die äußeren Enden
der inneren Feder-Bauelemente 68 sind ebenfalls drehbar
mit ihren jeweiligen reflektierenden Tafeln 62 verbunden,
um eine freie Bewegung der Tafeln zu erleichtern. Diese Drehverbindung
kann realisiert werden, wie in 11A gezeigt,
mit einer flexiblen Schnur 127, die in einem Loch 128 nahe
des inneren Rands 64 der Tafel 62 aufgenommen
ist und durch einen ringförmigen
Kragen 129 aufgenommen ist, der auf dem inneren Feder-Bauelement 68 gleitet.
Anschläge 130 auf dem
inneren Feder-Bauelement beschränken
die Wanderung der Buchse 129.
-
11B ist ähnlich
zur 11A, wobei ähnliche Elemente ähnliche
Bezugszeichen tragen. Diese Figur zeigt eine andere Ausführungsform
einer drehbaren Verbindung, in der das innere Feder-Bauelement 68 über einen
verdoppelten Bereich des inneren Rands 64 aufgenommen ist.
Der Abschnitt bildet einen Kanal 132, durch den das innere
Feder-Bauelement 68 gleitend aufgenommen ist.
-
Obgleich 10, 11A und 11B Löcher 124 und 128 zeigen,
die die Anbringung an der reflektierenden Tafel 62 erleichtern,
können
viele andere Befestigungsstrukturen verwendet werden. Bei einer
beispielhaften Lösung
wird die Dünnfilm-Tafel nahe
ihrer Ecken mit zusätzlichen
Tafelabschnitten verstärkt,
um eine Doppelung zu bilden. Schnüre, wie bspw. Seile 121 und 127 von 10 und 11A können
in diese Doppelung eingegossen werden, die mit dem inneren und dem äußeren Feder-Bauelement 68 und 70 verbunden
sind.
-
7 zeigt,
dass der Anschlag 82 eine geneigte Fläche 134 besitzt, die
die anfängliche
Richtung 88 des inneren Endes der äußeren Feder-Bauelemente 70 vorgibt,
wie in 4 gekennzeichnet. Zusätzlich zeigen die 7 und 8 drehbare
Verbindungen für
die inneren Enden 118 der äußeren Feder-Bauelemente 70. Eine weitere
Ausführungsform
dieser Strukturen ist in 12 gezeigt,
in der das innere Ende 118 des äußeren Feder-Bauelements 70 drehbar
mit der Solartafel 46 über
eine Schnur 136 verbunden ist, die an einer Klammer 138 an
dem Tafelumfang 55 befestigt ist. Das obere Bein 140 der
Tafel 138 erstreckt sich nach außen, um einen Anschlag 140 auszubilden,
der an das innere Ende 118 des äußeren Feder-Bauelements 70 anstößt. Dieser
Anschlag bestimmt die Anfangsrichtung des inneren Endes (d.h. die
Richtung 88 von 4).
-
Die
Solarreflektoren von 1–12 können mit
einer Vielzahl von Materialien realisiert werden. Bei einer beispielhaften
Realisierung sind die reflektierenden Tafeln 62 aus einem
leichtgewichtigen flexiblen Dünnfilmpolymer
gebildet (bspw. Polyimid oder Polyester in einer Dicke zwischen
10 und 80 Mikrometer). Um diese Reflexion der Solarstrahlung (102 in 5)
zu verbessern, trägt
die Tafel 62 vorzugsweise eine reflektierende Beschichtung 144 aus einem
Metall (bspw. Aluminium oder Silber, das durch Dampfabscheidung
abgeschieden ist) auf deren innerer Fläche, wie lokal in 5 gekennzeichnet ist.
Das Tafelmaterial kann spiegelnd oder streuend sein (bspw. durch
Falten, Prägung,
Bürsten
o.Ä.) für einen
optimalen Leistungsausgang in verschiedenen Konfigurationen (bspw.
Tafel, Flügel
und Ausrichtungskonfigurationen).
-
Große Tafeln 62 werden
typischerweise eine signifikante elektrostatische Ladung akkumulieren, die
eine Beschädigung
von elektrischen Komponenten des Weltraumfahrzeugs verursachen kann
(bspw. die Solarzellen 56). Diese Ladung kann sicher verbraucht
werden, falls ein Pfad zu leitenden Abschnitten der Solartafeln 46 existiert
(Solartafeln werden typischerweise aus leitenden Materialien gebildet,
die mit einer elektrischen Masse verbunden sind). Vorzugsweise bilden
deshalb die inneren und äußeren Feder-Bauelemente 68 und 70 und
die Halteseile 62 leitende Pfade von ihrer jeweiligen reflektierenden Tafel.
Bei einer beispielhaften Realisierung dieser Elemente sind deshalb
die inneren und äußeren Feder-Bauelemente 68 und 70 aus
federnden länglichen
Bauelementen eines leitfähigen
Graphits oder Harzkomposits gebildet, und die Halteseile 80 sind aus
Metallimprägnierten
Polyamidfasern gebildet.
-
Eine
andere Ausführungsform
der inneren Feder-Bauelemente 68 ist durch eine leitende
Spiralfeder 146 ausgebildet, wie in 3 angedeutet.
Ein Ende der Feder ist an einer Ecke 72 der reflektierenden
Tafel angebracht. Um die Ecke 72 in Richtung der Solartafel 46 und
weg von den gegenüberliegenden
Ecken des inneren und des äußeren Rands 64 und 66 zu
bringen, kann die andere Feder über
die Achse eines Zwischentafelscharniers 50 hinweggeführt werden
und an einer benachbarten Solartafel 46A enden. Noch weitere
Ausführungsformen
der inneren Feder-Bauelemente 68 können mit verschiedenen federnden
Strukturen (bspw. Blattfedern) gebildet werden.
-
Diese
Lehren der Erfindung können
mit unterschiedlichen Dimensionen und geometrischen Variationen
der Reflektorstrukturen praktiziert werden. Bei einem beispielhaften
Solarreflektor der Erfindung beträgt der Entfaltungswinkel 92 im
Wesentlichen 120 Grad und die Breite 152 der reflektierenden
Tafeln 62 ist das 1,1fache der Breite 154 der
Solartafel 46 (der Entfaltungswinkel und die Breiten sind
in 4 gezeigt).
-
Es
wurde berechnet, dass diese Anordnung die eintreffende Strahlung
auf die Tafelstirnfläche 57 um
einen Faktor >2 vergrößert. Es
wurde ferner berechnet, dass dieser Konzentrationsfaktor typischerweise
im Bereich von 1,7 bis 1,9 reduziert wird, wenn Ausrichtungsfehler,
Reflektorflachheit, Reflektorspiegeleigenschaften, Reflektorreflexionsvermögen und Reflektordefekte
berücksichtigt
werden. Es wurde geschätzt,
dass diese Anordnung eines Paars von Solarreflektoren (60 in 3)
für eine
Solartafel mit etwa 200 cm Breite und etwa 350 cm Länge ein
Gewicht von etwa 2 kg aufweisen wird.
-
Obgleich
Ausführungsformen
der Erfindung mit Paaren von reflektierenden Tafeln, inneren Federelementen, äußeren Federelementen
und Halteseilen beschrieben wurden, können die Konzepte und Lehren
der Erfindung benutzt werden, um einzelne Bauelemente dieser Strukturen
so anzupassen, dass sie Sonnenstrahlung auf Solarzellen reflektieren.
Um Weltraumfahrzeug-Lagefehlern
zu begegnen, kann es wünschenswert
sein, den äußeren Rand
der reflektierenden Tafeln weiter weg von den jeweiligen Solartafeln
auszudehnen, als bspw. in 5 gezeigt.
Diese Ausdehnung wird kompensiert durch die Lagefehler, so dass
die Solartafeln weiterhin vollständig
mit der reflektierten Strahlung 102 abgedeckt sind.
-
Obgleich
die inneren und äußeren Feder-Bauelemente 68 und 70 der
Solarreflektor-Ausführungsform 60 (bspw.
in 2 gezeigt) insbesondere als jeweils
verbunden mit dem inneren und dem äußeren Rand der reflektierenden
Tafeln 62 beschrieben wurde, lehrt die Erfindung allgemein
das Verbinden mit jedem inneren und äußeren Teil der Tafeln. In anderen
Ausführungsformen
dieser Erfindung kann die Verbindung des inneren und des äußeren Feder-Bauelements
mit einer Solartafel mit anderen Strukturen erleichtert werden,
bspw. einem dritten Element, das drehbar durch die Solartafel getragen
ist.
-
Während verschiedene
erläuternde
Ausführungsformen
der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ergeben sich für den Fachmann
zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen. Solche Variationen
und alternative Ausführungsformen sollen
als zur Erfindung gehörend
angesehen werden und können
ohne Verlassen des Rahmens der Erfindung, wie er in den angehängten Ansprüchen definiert
ist, ausgeführt
werden.