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Dokumentenidentifikation DE102004022449A1 01.12.2005
Titel Längsentfaltbare oder ausfahrbare Struktur mit flexiblen Längsstreben und Stützelementen
Anmelder EADS Astrium GmbH, 81667 München, DE
Erfinder Closs, Martin F., Dr.-Ing., 80469 München, DE
DE-Anmeldedatum 06.05.2004
DE-Aktenzeichen 102004022449
Offenlegungstag 01.12.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.12.2005
IPC-Hauptklasse B64G 1/66
Zusammenfassung Beschrieben wird eine längsentfaltbare oder ausfahrbare Struktur (1) mit mehreren flexiblen Längsstreben (2, 2a, 2b), welche zumindest durch senkrecht zur Entfaltungsrichtung angeordnete erste Stützelemente (3) miteinander verbunden sind. Die ersten Stützelemente (3) sind ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft eine längsentfaltbare oder ausfahrbare Struktur mit mehreren flexiblen Längsstreben, welche zumindest durch senkrecht zur Entfaltungsrichtung angeordnete erste Stützelemente miteinander verbunden sind.

Solche Strukturen sind beispielsweise aus US 5,154,027 bekannt. Dort wird eine entfaltbare bzw. ausfahrbare Maststruktur beschrieben, deren Längsstreben im gestauten Zustand in Form einer Helix aufgewickelt sind und die sich im entfalteten Zustand parallel zur Entfaltungsrichtung erstrecken. Zur Stabilisierung der Längsstreben sind dünne Querstreben und Diagonalstreben zwischen jeweils zwei der Längsstreben vorgesehen.

Problematisch ist dabei, dass die Versteifung nach dem Stand der Technik unter Umständen eine ausreichende Stabilität der Struktur nur bedingt garantiert. Der Erfindung liegt daher die Aufgaben zugrunde, eine verbesserte längsentfaltbare oder ausfahrbare Struktur mit mehreren flexiblen Längsstreben bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Ansprüche 8 und 9 umfassen spezielle, vorteilhafte Verwendungen der erfindungsgemäßen Struktur.

Gegenstand der Erfindung ist eine längsentfaltbare oder ausfahrbare Struktur mit mehreren flexiblen Längsstreben, welche zumindest durch senkrecht zur Entfaltungsrichtung angeordnete erste Stützelemente miteinander verbunden sind. Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die ersten Stützelemente ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet sind. Ringförmig bedeutet entweder mit kreisförmiger oder ovaler Struktur, rahmenförmig bedeutet mit dreieckiger, viereckiger oder vieleckiger Struktur. Wesentlich bei der Struktur ist letztlich, dass die Struktur von einem kompakten, gestauten Zustand in einen ausgedehnten Zustand übergeführt wird, wobei die Struktur sich entlang einer definierten Raumrichtung ausdehnt, die im folgenden als Entfaltungsrichtung bezeichnet wird. Dies kann bevorzugt durch Entfalten oder Ausfahren erfolgen. Die Stützelemente sind als flächig ausgedehnte Elemente in Form von Ringen oder Rahmen ausgebildet und verleihen dadurch der Struktur mehr Stabilität als die dünnen, eindimensional ausgedehnten Querstreben und Diagonalstreben nach dem Stand der Technik. Außerdem kann ein erstes Stützelement nach der Erfindung mehr als zwei Längsstreben untereinander verbinden, im Gegensatz zu den genannten Quer- und Diagonalstreben nach dem Stand der Technik, die nur jeweils zwei Längsstreben miteinander verbinden. Man kommt also mit einer geringeren Zahl von Stützelementen aus.

Eine erste Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Längsstreben im entfalteten Zustand der Struktur zumindest abschnittsweise parallel zur Entfaltungsrichtung angeordnet sind. Dabei kann vorgesehen werden, dass mehrere Längsstreben zusätzlich durch zweite, flexible Stützelemente untereinander verbunden sind, welche im entfalteten Zustand der Struktur zumindest abschnittsweise diagonal zur Entfaltungsrichtung angeordnet sind. Durch diese zusätzlichen Stützelemente können Scherkräfte und Torsionsmomente noch besser aufgenommen werden, so dass die gesamte Struktur eine verbesserte Stabilität erhält. Auch hier sind bevorzugt mehr als zwei Längsstreben durch jeweils ein zweites Stützelement untereinander verbunden, im Gegensatz zum Stand der Technik. Es können dabei grundsätzlich beliebig viele Längsstreben durch jeweils ein zweites Stützelement verbunden sein.

Dabei kann vorgesehen werden, dass die zweiten Stützelemente fest mit einem Ende einer der Längsstreben verbunden sind und beweglich mit weiteren Längsstreben verbunden sind, und mit einem ersten Mittel zur kontrollierten Verkürzung der zweiten Stützelemente oder mit einem zweiten Mittel zur kontrollierten Verlängerung der zweiten Stützelemente verbunden sind. Dadurch können die zweiten Stützelemente dazu verwendet werden, entweder die Entfaltung bzw. das Ausfahren zu initiieren bzw. zu beschleunigen, oder sie können dazu verwendet werden, das Ausfahren zu Bremsen und damit die Ausfahrbewegung zu verlangsamen oder beispielsweise am Ende der Ausfahrbewegung ein Einrasten der Struktur abzudämpfen. Dies ist insbesondere wichtig bei Anwendungen der Struktur in Systemen, die sensibel auf Erschütterungen reagieren wie beispielsweise Raumfahrzeuge oder hochgenaue optische Systeme. Die Wirkung der genannten Mittel zur Verkürzung oder Verlängerung greift dabei im wesentlichen am Ende der Längsstreben an. Die bewegliche Verbindung der zweiten Stützelemente mit den übrigen Längsstreben dient im wesentlichen zur definierten Führung der Stützelemente während des Entfaltens bzw. Ausfahrens. Es kann dabei jedes der Mittel zur Verkürzung oder Verlängerung aus einem einzigen Aktuator für alle zweiten Stützelemente einer Gruppe bestehen oder es kann auch jedes Mittel zur Verkürzung oder Verlängerung einen Satz Aktuatoren umfassen, von denen jeder genau einem Stützelement zugeordnet ist. Solche Aktuatoren können beispielsweise Motoren oder Federn sein.

Insbesondere kann vorgesehen werden, dass zwei Gruppen von zweiten Stützelementen verwendet werden. Im entfalteten Zustand ist eine erste Gruppe der zweiten Stützelemente im Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung gewunden angeordnet und eine zweite Gruppe der zweiten Stützelemente ist gegen den Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung gewunden angeordnet. Eine der Gruppen ist dabei mit dem ersten Mittel zur kontrollierten Verkürzung der zweiten Stützelemente verbunden und die andere der Gruppen mit dem zweiten Mittel zur kontrollierten Verlängerung der zweiten Stützelemente verbunden ist. Es werden in diesem Fall die Längsstreben im gestauten Zustand bevorzugt in Form einer Helix analog zum Stand der Technik aufgewickelt. Je nachdem, ob die helixformige Wicklung der Längsstreben im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn erfolgt, wird diejenige Gruppe zweiter Stützelemente, die in der gleichen Richtung gewunden ist wie die Längsstreben, mit dem Mittel zur Verkürzung der Stützelemente verbunden und die jeweils andere Gruppe mit dem Mittel zur Verlängerung der Stützelemente.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Längsstreben im entfalteten Zustand der Struktur zumindest abschnittsweise diagonal zur Entfaltungsrichtung angeordnet sind. In diesem Fall können Scherkräfte und Torsionsmomente durch die Längsstreben selbst aufgenommen werden, zweite Stützelemente werden damit weitgehend entbehrlich. Grundsätzlich können aber auch hier zusätzliche zweite Stützelemente wie oben beschrieben und auch die oben genannten Mittel zur kontrollierten Verkürzung oder Verlängerung der zweiten Stützelemente vorgesehen werden.

Dabei kann insbesondere vorgesehen sein, dass im entfalteten Zustand eine erste Gruppe der Längsstreben im Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung gewunden angeordnet ist und eine zweite Gruppe der Längsstreben gegen den Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung gewunden angeordnet ist. Damit können auf besonders optimale Weise Scherkräfte und Torsionsmomente durch die Längsstreben aufgenommen werden.

Eine spezielle vorteilhafte Verwendung einer vorstehend beschriebenen Struktur findet sich bei einer entfaltbaren Einrichtung eines Raumfahrzeuges. Beispielsweise kann die Erfindung in einer Maststruktur, einem Roboterarm oder in Stützträgern für Solargeneratoren oder Antennen verwendet werden. Gleiches gilt grundsätzlich auch für terrestrische Anwendungen. Gerade aber bei Raumfahrzeugen muss für die Startphase ein möglichst kompaktes Stauvolumen aller Einrichtungen garantiert werden, aber es müssen die Einrichtungen auch den hohen Lasten beim Transport von der Erde in den Weltraum Stand halten können.

Eine weitere vorteilhafte Verwendung einer vorstehend beschriebenen Struktur findet sich bei einer entfaltbaren Einrichtung eines optischen Apparates. Hierbei kann die Struktur beispielsweise bei einem Objektiv, einem Blendensystem oder einem Filtersystem verwendet werden. Bevorzugt können dabei die ersten Stützelemente als Blenden ausgebildet werden. Separate Blenden werden somit entbehrlich. Die Erfindung kann dabei grundsätzlich für terrestrische optische Apparate verwendet werden. Besondere Vorteile ergeben sich jedoch bei der Verwendung für optische Apparate an oder in Raumfahrzeugen, da sich dann auch noch die Vorteile des kompakten Stauvolumens und der verbesserten Stabilität wie oben beschrieben ergeben.

Spezielle Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der 1 bis 4 am Beispiel einer ausfahrbaren Blendenanordnung für optische Raumfahrt-Apparate erläutert.

Es zeigen:

1 a) und b) : Erfindungsgemäße Strukturen im entfalteten bzw. ausgefahrenen Zustand

2 a) bis c): Ausfahren einer Struktur nach 1 a)

3: Struktur nach 2 c) mit Mitteln zur Verkürzung und Verlängerung der zweiten Stützelemente

4 a) bis c): Ausfahren einer alternativen Struktur ohne zweite Stützelemente

1 a) zeigt eine ausfahrbare Blendenstruktur für optische Raumfahrt-Apparate, die kreisringförmige Streulichtblenden 3 aufweist, welche gleichzeitig als Stützelemente zur Stabilisierung flexibler Längsstreben 2 dienen. Die Längsstreben 2 sind drehbar mit den Streulichtblenden 3 über geeignete Drehlager verbunden. Die Längsstreben 2 können beispielsweise als Bandfedern aus Metall ausgebildet sein oder aus Fiberglas oder glasfaserverstärktem Kunststoff bestehen. Die Blendenstruktur 1 erstreckt sich entlang einer Entfaltungsrichtung 4.

1 b) zeigt eine alternative Bauweise zu 1 a), wobei nun rahmenförmige, viereckige Streulichtblenden 3 vorgesehen sind. Im übrigen entspricht die Blendenanordnung 1 derjenigen nach 1 a).

2 a) bis c) zeigen schematisch das Ausfahren einer Struktur nach 1 a). Dabei zeigt 2 a) den gestauten Zustand der Blendenstruktur 1, wobei die Struktur derart in sich verdreht ist, dass die flexiblen Längsstreben 2 im Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung 4 herum gewunden sind. In diesem Zustand kann die Blendenstruktur 1 durch geeignete Halterungen arretiert werden. Die Längsstreben 2 sind fest mit einem nicht dargestellten Trägerelement verbunden, so dass die Längsstreben am unteren Ende 10 fixiert sind. Durch die Eigensteifigkeit der Längsstreben 2 ergeben sich dabei Torsionsmomente, die die Blendenstruktur nach dem Lösen der Halterungen wieder in die entfaltete Position nach 1 a) zwingen. 2 b) zeigt einen Teilschritt dieses Vorgangs nach Lösen der Halterungen, wobei die Blendenstruktur 1 den ausgefahrenen Zustand fast erreicht hat. 2 c) zeigt schließlich die Blendenstruktur im ausgefahrenen Zustand, der 1 a) entspricht. Während des Ausfahrens vollführt das obere Ende 9 der Blendenstruktur 1 eine Rotationsbewegung gegen den Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung 4.

Dabei sind in 2 c) zusätzlich diagonal um die Blendenstruktur gewundene Seile 5, 6 dargestellt, die als zweite Stützelemente dienen. Jedes der Seile 5, 6 verbindet dabei mehrere der Längsstreben 2 untereinander. Eine erste Gruppe von Seilen 5 ist im Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung 4 um die Blendenstruktur gewunden, eine zweite Gruppe 6 entgegen dem Uhrzeigersinn. Diese Seile 5, 6 können elastisch ausgebildet sein, damit sie sich beim Verstauen der Blendenstruktur 1 geeignet verformen bzw. dehnen können.

Entsprechend einer Ausgestaltung nach 3 können die Seile 5, 6 aber auch unelastisch ausgebildet sein. Dann sind Mittel 7 wie beispielsweise Motoren mit Spulen zum kontrollierten Verkürzen der Seile 5 bei dem Ausfahren der Blendenstruktur 1 vorgesehen. Dieses Verkürzen der Seile 5 unterstützt die Ausfahrbewegung der Blendenstruktur 1. Um das Verkürzen zu ermöglichen, sind die Seile 5 lediglich am oberen Ende 9 der Blendenstruktur fest mit den Längsstreben 2 verbunden. Mit den übrigen Längsstreben 2 ist jedes der Seile beweglich verbunden, wobei die Seile 5 beispielsweise in Ösen oder ähnlichen Führungen gelagert sein können. Gleiches gilt auch für die Seile 6 der zweiten Gruppe, wobei diese jedoch mit einem Mittel 8 zur kontrollierten Verlängerung der Seile 6 verbunden sind. Auch hierfür kann ein Spulenmechanismus verwendet werden, der einen Motor oder auch eine Feder aufweist. Damit kann ein unkontrolliert schnelles Ausfahren unterbunden und ein ruckartiges Einrasten der Blendenstruktur 1 gedämpft werden. Nach dem vollständigen Ausfahren der Blendenstruktur 1 werden die Seile 5, 6 bevorzugt unter einer gewissen Vorspannung arretiert, um die Stabilität der Blendenstruktur 1 gegen Scherkräfte und Torsionsmomente zu garantieren.

4 a) bis c) zeigen eine alternative Ausführungsform, bei der die Längsstreben im ausgefahrenen Zustand der Blendenstruktur 1 nicht parallel zur Entfaltungsrichtung 4 angeordnet sind, sondern diagonal zur Entfaltungsrichtung 4. Dabei ist in jedem Stadium des Ausfahrens eine erste Gruppe 2a von Längsstreben im Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung 4 herum gewunden und eine zweite Gruppe 2b von Längsstreben ist gegen den Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung 4 gewunden angeordnet. Jede Längsstrebe der erste Gruppe 2a ist zumindest am oberen Ende 9 gelenkig mit einer Längsstrebe der zweiten Gruppe 2b verbunden. Die Streulichtblenden 3 sind über Drehgelenke mit den Längsstreben der ersten und zweiten Gruppe 2a, 2b verbunden.

Am unteren Ende 10 der Blendenstruktur 1 sind die Längsstreben 2a, 2b bevorzugt drehbar auf einem nicht dargestellten Trägerelement gelagert, so dass auch das untere Ende 10 der Blendenstruktur 1 eine Rotationsbewegung ausführen kann. Es kann vorgesehen sein, dass zwischen dem unteren Ende 10 der Blendenstruktur un dem Trägerelement ein Einrastmechanismus vorgesehen wird, der nach dem Ausfahren der Blendenstruktur 1 einrastet und ein weiteres Rotieren der Blendenstruktur 1 verhindert.

Die genannte Blendenstruktur 1 kann auf ein optisches Sensor- oder Bildaufnahmesystem montiert werden. Man kann die erfindungsgemäße Struktur aber auch dazu verwenden, optische Elemente zu tragen. So können beispielsweise Linsen oder Spiegel (z.B. der Sekundärspiegel) eines optischen Teleskops am oberen Ende 9 der Struktur befestigt werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, optische Instrumente großer Baulänge zu realisieren, die sich dennoch kompakt verstauen lassen.


Anspruch[de]
  1. Längsentfaltbare oder ausfahrbare Struktur (1) mit mehreren flexiblen Längsstreben (2, 2a, 2b), welche zumindest durch senkrecht zur Entfaltungsrichtung angeordnete erste Stützelemente (3) miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stützelemente (3) ringförmig oder rahmenförmig ausgebildet sind.
  2. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsstreben (2) im entfalteten Zustand der Struktur (1) zumindest abschnittsweise parallel zur Entfaltungsrichtung (4) angeordnet sind.
  3. Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Längsstreben (2) zusätzlich durch zweite, flexible Stützelemente (5, 6) untereinander verbunden sind, welche im entfalteten Zustand der Struktur (1) zumindest abschnittsweise diagonal zur Entfaltungsrichtung (4) angeordnet sind.
  4. Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Stützelemente (5, 6) fest mit einem Ende einer der Längsstreben (2) verbunden sind und beweglich mit weiteren Längsstreben (2) verbunden sind, und mit einem ersten Mittel (7) zur kontrollierten Verkürzung der zweiten Stützelemente (5, 6) oder mit einem zweiten Mittel zur kontrollierten Verlängerung der zweiten Stützelemente (5, 6) verbunden sind.
  5. Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im entfalteten Zustand eine erste Gruppe (5) der zweiten Stützelemente im Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung (4) gewunden angeordnet ist und eine zweite Gruppe (6) der zweiten Stützelemente gegen den Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung (4) gewunden angeordnet ist, wobei eine der Gruppen (5, 6) mit dem ersten Mlttel (7) zur kontrollierten Verkürzung der zweiten Stützelemente verbunden ist und die andere der Gruppen (5, 6) mit dem zweiten Mittel zur kontrollierten Verlängerung der zweiten Stützelemente (5, 6) verbunden ist.
  6. Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsstreben (2, 2a, 2b) im entfalteten Zustand der Struktur (1) zumindest abschnittsweise diagonal zur Entfaltungsrichtung (4) angeordnet sind.
  7. Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im entfalteten Zustand eine erste Gruppe (2a) der Längsstreben im Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung (4) gewunden angeordnet ist und eine zweite Gruppe (6) der Längsstreben gegen den Uhrzeigersinn um die Entfaltungsrichtung (4) gewunden angeordnet ist.
  8. Verwendung einer Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei einer entfaltbaren Einrichtung eines Raumfahrzeuges.
  9. Verwendung einer Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7 bei einer entfaltbaren Einrichtung eines optischen Apparates.
  10. Verwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Stützelemente (3) als Blenden ausgebildet sind.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen






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