ITMI992068A1 - SOLAR GENERATOR FOR SATELLITES - Google Patents
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Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione riguarda un generatore solare per satelliti con una pluralità di cellule solari ed una struttura portante presentante un nucleo alveolare inserito fra una superficie di copertura superiore e una inferiore. The present invention relates to a solar generator for satellites with a plurality of solar cells and a supporting structure having an alveolar core inserted between an upper and a lower covering surface.
L'alimentazione energetica di satelliti viene garantita con cellule solari fissate su strutture sandwich in composito di fibre di carbonio di elevata rigidezza. Strutture di tale tipo soprattutto durante l'operazione di partenza sono soggette a considerevoli sollecitazioni provocate ad esempio da vibrazioni. A riguardo si verificano accelerazioni fino di 30 g. La gamma di frequenza delle vibrazioni si estende per lo più fra 30 Hz e 100 Hz. The energy supply of satellites is guaranteed with solar cells fixed on sandwich structures in highly rigid carbon fiber composite. Structures of this type, especially during the starting operation, are subject to considerable stresses caused for example by vibrations. In this case, accelerations of up to 30 g occur. The frequency range of the vibrations mostly extends between 30 Hz and 100 Hz.
Nel US 4 394 529 viene descritto un generatore solare, in cui una pluralità di cellule solari sono disposte su una struttura a sandwich. La struttura a sandwich è formata da un nucleo a nido d'api realizzati in alluminio e disposto fra strati di Kevlar. A causa delle vibrazioni per aumentare la resistenza sul lato posteriore sulla portante è prevista una disposizione di aste formanti gli elementi di irrigidimento. In US 4 394 529 a solar generator is described in which a plurality of solar cells are arranged on a sandwich structure. The sandwich structure consists of a honeycomb core made of aluminum and arranged between layers of Kevlar. Due to the vibrations, an arrangement of rods forming the stiffening elements is provided to increase the resistance on the rear side on the carrier.
Alle vibrazioni precedentemente considerate come sollecitazione supplementare si aggiunge anche la pressione acustica, che si verifica in seguito al rumore di propulsori dei razzi vettori al momento della partenza, sotto il rivestimento aerodinamico dell'ogiva del razzo. La sollecitazione principale derivante dalla pressione acustica si trova principalmente in una gamma di frequenza di circa 150 Hz fino a circa 500 Hz. A riguardo risultano particolarmente suscettibili strutture leggere, rispettivamente elementi costruttivi sandwich con sottili superfici di copertura. Le sollecitazioni dalla pressione acustica aumento fortemente con la grandezza dei pannelli per cui è possibile costruire grandi generatori solari soltanto con peso elevato. Inoltre anche la vibrazione acustica produce determinate deformazioni strutturali, che possono portare a danni alle cellule solari delicate . To the vibrations previously considered as additional stress is also added the acoustic pressure, which occurs following the noise of the propellers of the rockets at the moment of departure, under the aerodynamic coating of the nose of the rocket. The main stress resulting from the acoustic pressure lies mainly in a frequency range of about 150 Hz to about 500 Hz. Lightweight structures, respectively sandwich construction elements with thin covering surfaces, are particularly susceptible to this. The stresses from the acoustic pressure increase strongly with the size of the panels so it is possible to build large solar generators only with high weight. Furthermore, acoustic vibration also produces certain structural deformations, which can lead to damage to delicate solar cells.
Pertanto la presente invenzione si pone il compito di realizzare un generatore per veicoli spaziali, rispettivamente satelliti, in cui è ridotta la sollecitazione dovuta a pressione acustica rispettivamente è ridotto un veicolo degli elementi costruttivi in seguito a pressione acustica, laddove ciò nonostante il peso può essere tenuto modesto. Therefore, the present invention has the task of realizing a generator for spacecraft, respectively satellites, in which the stress due to acoustic pressure is reduced or a vehicle of the construction elements is reduced as a result of acoustic pressure, where nevertheless the weight can be kept modest.
Questo problema viene risolto mediante il generatore solare secondo le rivendicazioni 1. Ulteriori caratteristiche vantaggiose, aspetti e dettagli dell'invenzione slittano dalle rivendicazioni dipendenti, dalle discrezioni e dai disegni. This problem is solved by means of the solar generator according to claims 1. Further advantageous characteristics, aspects and details of the invention depart from the dependent claims, the discretions and the drawings.
Il generatore solare secondo l'invenzione ha una pluralità di cellule solari e la struttura portante presentante un nucleo alveolare, situato fra una superficie di copertura ed una inferiore, nonché risonatori integrati nella struttura portante e, oppure accoppiati ad essa. Con i risonatori integrati nella struttura rispettivamente accoppiati ad essa si riduce la sollecitazione acustica e quindi il pericolo degli elementi costruttivi. La sollecitazione della struttura viene ridotta. In particolare le sollecitazioni da vibrazioni acustiche nella gamma di frequenza fra 100 e 1000 Hz possono essere ottimamente ridotte mediante i risonatori. The solar generator according to the invention has a plurality of solar cells and the supporting structure having an alveolar core, located between a covering surface and a lower one, as well as resonators integrated into the supporting structure and / or coupled to it. With the resonators integrated into the structure respectively coupled to it, the acoustic stress and therefore the danger of the construction elements are reduced. The stress of the structure is reduced. In particular, the stresses from acoustic vibrations in the frequency range between 100 and 1000 Hz can be optimally reduced by means of resonators.
Preferibilmente i risonatori sono formati da una foglia, applicata preferibilmente sulla superficie di copertura superiore e, oppure inferiore ed ha cavità nel nucleo alveolare. Con la cooperazione di cavità e foglia nella struttura sono formati risonatori di Helmholz che riducono considerevolmente la sollecitazione acustica. Preferably the resonators are formed by a leaf, preferably applied to the upper and / or lower covering surface and has cavities in the alveolar core. With the cooperation of cavity and leaf in the structure, Helmholz resonators are formed which considerably reduce the acoustic stress.
Vantaggiosamente la foglia possiede fori e può essere ad esempio perforata, microperforata o a rete. Di conseguenza il risonatore è particolarmente efficace ed è possibile una semplice ed economica fabbricazione. Mediante grandezze dei fori distribuite statisticamente della foglia risulta possibile una ampiezza di banda di frequenza corrispondentemente grande dei risonatori di Helmholz cosicché la sollecitazione acustica viene ridotta in frequenza assai diverse. Advantageously, the sheet has holes and can, for example, be perforated, microperforated or mesh. Consequently, the resonator is particularly effective and simple and inexpensive manufacture is possible. By means of statistically distributed hole sizes of the leaf, a correspondingly large frequency bandwidth of the Helmholz resonators is possible so that the acoustic stress is reduced in very different frequencies.
Vantaggiosamente la foglia è disposta in una zona della struttura portante a parete assai sottile rispetto alle altre zone, che è particolarmente suscettibile nei confronti delle vibrazioni acustiche. Nelle zone a parete sottile la foglia rispettivamente le foglie sono particolarmente efficaci. La grandezze dei fori della foglia e la grandezza delle cavità del nucleo alveolare rispettivamente la sua geometria sono reciprocamente adattabili in modo che i risonatori presentano una gamma di frequenza fra 100 e 1000 Hz, preferibilmente fra 150 e 500 Hz. Advantageously, the leaf is arranged in a region of the supporting structure with a very thin wall with respect to the other regions, which is particularly susceptible to acoustic vibrations. In thin-walled areas the leaf or the leaves are particularly effective. The size of the holes in the leaf and the size of the cavities of the alveolar core respectively its geometry are mutually adaptable so that the resonators have a frequency range between 100 and 1000 Hz, preferably between 150 and 500 Hz.
I risonatori possono essere anche singoli elementi elastici, ad esempio linguette eseguite come molle disposte preferibilmente su almeno una delle superfici di copertura. Risonatori discreti di tale tipo possono essere disposti anche aggiuntivamente ai summenzionati risonatori di Helmholz. La modalità costruttiva dei risonatori discreti può essere differente e in dipendenza di ciò essi possono possedere modeste oppure ampie ampiezze di banda di frequenza. Questi risonatori discreti vengono disposti preferibilmente in una zona rinforzata del lato posteriore della struttura portante in quanto ivi essi risultano particolarmente efficaci. The resonators can also be individual elastic elements, for example tabs formed as springs preferably arranged on at least one of the covering surfaces. Discrete resonators of this type can also be arranged additionally to the aforementioned Helmholz resonators. The constructive modality of the discrete resonators can be different and depending on this they can have modest or wide frequency bandwidths. These discrete resonators are preferably arranged in a reinforced region of the rear side of the supporting structure, since they are particularly effective there.
La superficie di copertura è formata ad esempio da una rete composita in fibre avente vantaggiosamente una grandezza delle maglie inferiore alla sezione traversale interna delle cavità nel nucleo alveolare. The covering surface is formed, for example, by a composite fiber network advantageously having a mesh size smaller than the internal cross section of the cavities in the alveolar core.
La presente invenzione viene descritta in seguito in base ad una forma di realizzazione preferita. The present invention is described below on the basis of a preferred embodiment.
In particolare: In particular:
la figura 1 mostra una vista parzialmente in spaccato dal basso di una struttura portante del generatore solare, secondo l'invenzione, Figure 1 shows a partially cut-away view from below of a supporting structure of the solar generator, according to the invention,
la figura 2 mostra una vista del generatore solare dall'alto, contenente risonatori integrati nella struttura portante, Figure 2 shows a top view of the solar generator, containing resonators integrated into the supporting structure,
la figura 3 mostra un ulteriore struttura portante in modalità costruttiva a sandwich con elementi di trasmissione delle forze, Figure 3 shows a further load-bearing structure in sandwich construction mode with force transmission elements,
la figura 4 mostra la pressione acustica, che si verifica con la partenza del razzo, in dipendenza della frequenza, Figure 4 shows the acoustic pressure, which occurs with the departure of the rocket, depending on the frequency,
la figura 5 mostra il comportamento della struttura portante in seguito alla sollecitazione acustica in dipendenza della frequenza risultante, e Figure 5 shows the behavior of the supporting structure following the acoustic stress as a function of the resulting frequency, e
la figura 6 mostra una sezione parziale attraverso un generatore solare con risonatori conformemente ad un ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione. Figure 6 shows a partial section through a solar generator with resonators according to a further embodiment of the invention.
Nella figura 1 è mostrata dal basso, in una vista parzialmente in spaccato, in una struttura portante 1 del generatore solare secondo l'invenzione . In figure 1 it is shown from below, in a partially cut-away view, in a supporting structure 1 of the solar generator according to the invention.
Un nucleo alveolare 2 di alluminio è disposto fra una superficie di copertura inferiore 3a e una superficie di copertura superiore 3b. Gli elementi costruttivi sono incollati fra di loro per mezzo di un collante 11 rappresentato schematicamente e forma una struttura a sandwich. Sulla superficie di copertura inferiore 3a si trova una foglia di copertura flessibile 4, che nella forma di realizzazione preferita è perforata rispettivamente microperforata. La perforazione non è rappresentata nella figura 1. Le cellule o alveoli 21 del nucleo alveolare 2 forma corpi cavi verticali con cavità 28 contigue alle superfici di coperture 3a, 3b. Mediante la foglia 4 nella combinazione con le cavità 28 nel nucleo alveolare 2 viene formata una pluralità di singoli risonatori agenti in base al principio di Helmoholz. Di conseguenza si ottiene un assorbimento acustico di grado elevato della struttura portante 1. Sul lato superiore della struttura portante 1, non riconoscibile in figura 1, sono disposte cellule solari per formare il generatore solare secondo l'invenzione. A honeycomb core 2 of aluminum is arranged between a lower covering surface 3a and an upper covering surface 3b. The construction elements are glued together by means of an adhesive 11 shown schematically and forms a sandwich structure. On the lower cover surface 3a there is a flexible cover sheet 4, which in the preferred embodiment is perforated or microperforated. The perforation is not shown in Figure 1. The cells or alveoli 21 of the alveolar core 2 form vertical hollow bodies with cavities 28 contiguous to the covering surfaces 3a, 3b. By means of the leaf 4 in combination with the cavities 28 in the alveolar core 2 a plurality of individual resonators acting on the basis of the Helmoholz principle are formed. Consequently, a high degree of acoustic absorption of the supporting structure 1 is obtained. On the upper side of the supporting structure 1, not recognizable in Figure 1, solar cells are arranged to form the solar generator according to the invention.
Oltre all'alluminio anche altri materiali, come ad esempio carta poliommidica, fibre di aramide, GFK oppure CFK sono adatti come materiale per il nucleo cellulare rispettivamente il nucleo alveolare 2. Le superfici di copertura 3a e 3b vengono fatte in particolare di fibre di carbonio con resina epossidica ed hanno una struttura a rete. Nella forma di realizzazione preferita la foglia 4 è una foglia di Kapton perforata. In generale sono adatti particolarmente bene materiali o tessuti presentanti fori o aperture passanti, attraverso le quali l'aria può vibrare nelle cavità del nucleo alveolare 1. In addition to aluminum, other materials such as polyommide paper, aramid fibers, GFK or CFK are also suitable as material for the cell nucleus or alveolar nucleus 2. The cover surfaces 3a and 3b are made in particular of carbon fibers. with epoxy resin and have a mesh structure. In the preferred embodiment the leaf 4 is a perforated Kapton leaf. In general, materials or fabrics with through holes or openings through which air can vibrate in the cavities of the alveolar core 1 are particularly well suited.
La figura 2 mostra la vista del generatore solare obliquamente dall'alto. Cellule solari .5 sono disposte sul lato superiore della struttura portante 1. La struttura a Sandwich in composito di fibre di carbonio mostrata con il nucleo alveolare 2, con la superficie di copertura inferiore 3a e la superficie di copertura 3b provoca una elevata resistenza rispettivamente rigidezza con modalità costruttiva leggera. Oltre agli alveoli 21 di sezione traversale esagonale, impiegati preferibilmente, qui indicati come nidi d'ape, è possibile impiegare anche altre geometrie degli alveoli 21. Le cellule solari 5 sono disposte su un film elettroisolante e tramite questo sono collegate con la struttura portante 1 rispettivamente con la superficie di copertura superiore 3b. Figure 2 shows the view of the solar generator obliquely from above. Solar cells .5 are arranged on the upper side of the supporting structure 1. The sandwich structure made of carbon fiber composite shown with the honeycomb core 2, with the lower cover surface 3a and the cover surface 3b causes a high strength respectively stiffness with lightweight construction. In addition to the alveoli 21 of hexagonal cross section, preferably used, here indicated as honeycombs, it is also possible to use other geometries of the alveoli 21. The solar cells 5 are arranged on an electro-insulating film and through this are connected with the supporting structure 1 respectively with the upper covering surface 3b.
La figura 3 mostra schematicamente un ulteriore forma di realizzazione dell'invenzione, in cui blocchetti 7 di fibra di carbonio sono incollati per la trasmissione del carico nel nucleo alveolare 2. Le superfici di copertura 3a e 3b in questi punti sono rinforzate con aggiuntivi elementi laminati rispettivamente doppiatori 8. Per collegare fra di loro i singoli elementi costruttivi sono previsti strati di. collanti 9. La foglia 4 in corrispondenza delle zona del nucleo alveolare 2 è dotata di fori, rispettivamente perforata e insieme alle cavità del nucleo alveolare 2 e alla superficie di copertura 3a forma una pluralità di risonatori di Helmoholz. Figure 3 schematically shows a further embodiment of the invention, in which blocks 7 of carbon fiber are glued for load transmission in the honeycomb core 2. The covering surfaces 3a and 3b at these points are reinforced with additional laminated elements respectively dubbers 8. Layers of. adhesives 9. The sheet 4 in correspondence with the region of the alveolar core 2 is provided with holes, respectively perforated and together with the cavities of the alveolar core 2 and the covering surface 3a it forms a plurality of Helmoholz resonators.
La superficie di copertura superiore 3b portante le cellule solari 8 è formata qui da uno strato composito dì fibre chiuso in maniera passante, mentre la superficie di copertura inferiore 3a è eseguita a guisa di rete rispettivamente è dotata di aperture. The upper covering surface 3b carrying the solar cells 8 is formed here by a composite layer of fibers closed in a pass-through manner, while the lower covering surface 3a is designed in the form of a net or is provided with openings.
La figura 4 mostra un diagramma, in cui è rappresentata la pressione acustica in dipendenza della frequenza. E' qui riconoscibile che la pressione acustica, ad esempio con la partenza del raggio vettore, presenta un massimo in una frequenza di circa 150 Hz fino <'>a circa 500 Hz. In questo intervallo sono massime le sollecitazioni della struttura portante derivanti dalla pressione acustica. Figure 4 shows a diagram in which the sound pressure is represented as a function of frequency. Here it is recognizable that the acoustic pressure, for example with the departure of the vector beam, has a maximum in a frequency of about 150 Hz up to about 500 Hz. In this interval the stresses of the load-bearing structure deriving from the pressure are maximum. acoustics.
Il comportamento della struttura in seguito alla sollecitazione acustica è<’ >mostrata in figura 5. ;The behavior of the structure following the acoustic stress is <'> shown in figure 5.;
Anche qui è riconoscibile il massimo nell'intervallo fra IO<2 >e IO<3 >Hz. In questa gamma di frequenza si hanno le massime vibrazioni della struttura in seguito alla sollecitazione acustica. Here, too, the maximum in the interval between IO <2> and IO <3> Hz is recognizable. In this frequency range there are the maximum vibrations of the structure following the acoustic stress.
Per aumentare ulteriormente le ampiezze della banda di frequenza dei risonatori, la foglia 4 in un'ulteriore forma di realizzazione è qui non rappresentata viene dotata di fori di differente grandezza. In particolare fogli a rete prefabbricate con grandezze dei fori a distribuzione statistica consentono una maggiore ampiezza di banda di frequenza con semplice ed economica fabbricazione. Per la formazione di risonatori, particolarmente efficaci determinate gamme di frequenza, la geometria alveolare rispettivamente la grandezza delle cavità all'interno del nucleo alveolare 2 viene adattata alla grandezza dei fori all'interno della foglia 4. To further increase the amplitudes of the frequency band of the resonators, the leaf 4 in a further embodiment is not shown here and is provided with holes of different sizes. In particular, prefabricated mesh sheets with statistically distributed hole sizes allow a greater frequency bandwidth with simple and economical manufacture. For the formation of resonators, which are particularly effective in certain frequency ranges, the alveolar geometry or the size of the cavities inside the alveolar core 2 is adapted to the size of the holes inside the leaf 4.
La figura 6 mostra un'ulteriore forma di realizzazione del generatore solare secondo l'invenzione. A riguardo con risonatori sono applicate linguette 10, eseguite come molle, sulla superficie di copertura inferiore 3a rispettivamente sul lato della struttura portante 1 fronteggiante le cellule solari 5. Il comportamento liberatorio di misuratori viene definito dalle molle e dalla geometrica delle linguette 10. Pertanto corrispondentemente alla rispettiva esigenza è possibile eseguire risonatori per frequenze differenti. Anche qui gli alveoli 21 eseguiti come nidi d'api formano cavità 28 perpendicolari alle superfici di copertura 3a e 3b. Questi risonatori discreti sono applicati in modo particolarmente preferito, nella zona rinforzata della struttura portante 1 in corrispondenza del lato posteriore del generatore solare. Essi possono essere accoppiati, sia aggiuntivamente ai risonatori di Helmholz integrati, precedentemente descritti, sia anche indipendentemente da questi, alla struttura portante 1. Figure 6 shows a further embodiment of the solar generator according to the invention. In this regard, with resonators, tabs 10, which are designed as springs, are applied to the lower cover surface 3a respectively on the side of the supporting structure 1 facing the solar cells 5. The liberating behavior of meters is defined by the springs and the geometry of the tabs 10. Therefore correspondingly to the respective requirement it is possible to perform resonators for different frequencies. Here, too, the alveoli 21 formed as bees' nests form cavities 28 perpendicular to the covering surfaces 3a and 3b. These discrete resonators are particularly preferably applied in the reinforced region of the supporting structure 1 at the rear side of the solar generator. They can be coupled, both additionally to the previously described integrated Helmholz resonators, and also independently of these, to the supporting structure 1.
La considerevole sollecitazione acustica dovuta al rumore di propulsori mediante l'integrazione secondo l'invenzione di risonatori nella struttura portante 1 del generatore solare rispettivamente mediante il loro accoppiamento alla struttura portante 1, viene efficacemente ridotta. The considerable acoustic stress due to the noise of propellers by the integration according to the invention of resonators into the supporting structure 1 of the solar generator or by means of their coupling to the supporting structure 1, is effectively reduced.
Con l'applicazione della foglia 4 in particolare esecuzione si ottiene che il nucleo alveolare 2 forma una pluralità di risonatori di Helholz. Con questa particolare esecuzione dei risonatori non sono necessari .in particolare elementi costruttivi supplementari, che aumenterebbero sostanzialmente il peso del generatore solare. A riguardo le foglie 4 sono particolarmente efficaci nelle zone a parete sottile della <■ >struttura portante, che sono sensibili alle vibrazioni acustiche. By applying the sheet 4 in particular execution, it is obtained that the alveolar core 2 forms a plurality of Helholz resonators. With this particular embodiment of the resonators, in particular no additional constructive elements are required, which would substantially increase the weight of the solar generator. In this regard, the leaves 4 are particularly effective in the thin-walled areas of the supporting structure, which are sensitive to acoustic vibrations.
Con la presente invenzione si riducono efficacemente le sollecitazioni derivanti dalle vibrazioni acustiche, e specialmente nella gamma di frequenza fra 100 e 1000 Hz. With the present invention, the stresses deriving from acoustic vibrations are effectively reduced, and especially in the frequency range between 100 and 1000 Hz.
Claims (11)
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