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Dokumentenidentifikation DE69831695T2 06.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0000858946
Titel Entfaltbare Präzisionsauslegerarmanordnung
Anmelder Northrop Grumman Corp., Los Angeles, Calif., US
Erfinder Dailey, Dean R., Torrance, California 90501, US;
Gilman, Larry N., Inglewood, California 90302, US;
Parker, A. Dale, Rolling Hills Estates, California 90274, US
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69831695
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 16.01.1998
EP-Aktenzeichen 981007099
EP-Offenlegungsdatum 19.08.1998
EP date of grant 28.09.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.07.2006
IPC-Hauptklasse B64G 1/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
HINTERGRUND

Die Erfindung betrifft das Gebiet ausfahrbarer Plattformen und insbesondere eine ausfahrbare Präzisionsauslegearmanordnung für Weltraum- und erdgestützte Anwendungen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Ausfahrbare Plattformen sind zur Verwendung an Raumfahrzeugen, wie beispielsweise Satelliten, bekannt. Diese Plattformen werden verwendet, um Vorrichtungen wie Antennen, Kameras, Teleskope und verschiedene andere wissenschaftliche Instrumente zu stützen bzw. zu tragen.

Die meisten ausfahrbaren Plattformen sind statisch und nur zum einmaligen Ausfahren geeignet. Diese Plattformen werden typischerweise in die ausgefahrene Position entfaltet und können, einmal ausgefahren, nicht mehr eingezogen werden. Einige Plattformen können eingezogen werden. Weder die nicht-einziehbaren noch die einziehbaren Plattformen sind in Zwischenpositionen stabil.

Bekannte Plattformen sind für Anwendungen unzureichend, die eine Plattform variabler Länge erfordern. Um beispielsweise entfernte Planeten und Sonnensysteme zu messen, können Instrumente an einer Plattform befestigt sein, und das Raumfahrzeug kann gedreht werden, um eine volle 360°-Umdrehung abzubilden. Für verschiedene Größen von Blendendurchmessern muss der Abstand zwischen dem Raumfahrzeug und den Instrumenten verändert werden. Diese variable Positionierung ist nicht unter Verwendung der bekannten statischen Plattformen möglich, die nur eine feste Plattformlänge vorsehen. Bekannte Plattformen sind auch nicht in der Lage, den Auslegearm wiederholt mit einem hohen Grad an Genauigkeit und Stabilität in ausgewählten Zwischenstellungen zu positionieren, die zwischen eingezogen (verstaut) und voll ausgefahren liegen.

Es ist bei einigen Anwendungen auch notwendig, dass die Plattform extrem form- und positionsstabil ist. Eine hohe Stabilität wird benötigt, um genaue Messungen zu machen oder um genaue Abbildungen unter Verwendung eines an der Plattform befestigten Instruments durchzuführen. Die Stabilität der Plattform kann durch Temperaturänderungen erheblich beeinträchtigt werden. Im Weltraum können große Temperaturänderungen auftreten, zum Beispiel während eines Flugs von Satelliten zwischen der sonnenabgewandten Seite und der Sonnenseite ihrer Orbits. Falls die Plattformlänge empfindlich gegenüber Temperaturveränderungen ist, die durch Wärmeausdehnung oder -kontraktion verursacht werden, können dann die durch die Temperaturänderung verursachten Formänderungen in der Plattform die Position des Instruments verändern und das Instrument daran hindern, genaue Messungen durchzuführen. Folglich verschlechtert sich der Einsatz mit großen Kosten.

Die Form- und Positionsstabilität der Plattform kann auch durch die "Totzone" in der Plattform beeinträchtigt sein. Die Totzone ist gekennzeichnet als ein Mangel an Festigkeit bzw. Straffheit in der Plattform aufgrund übermäßigen Spiels zwischen den Plattformelementen. Die Totzone bewirkt, dass sich die Plattformposition erheblich ändert, falls ein großes Maß an Totzone in der Plattform vorhanden ist. Folglich ist der genaue Standort der an Plattformen mit Totzone befestigten Instrumente unbestimmt. Zudem kann die Totzone das Raumfahrzeug-Steuersystem beeinträchtigen und das Steuersystem daran hindern, die Bewegung des Raumfahrzeugs richtig zu steuern. Das Problem der Raumfahrzeugsteuerung verschlimmert sich bei schweren Auslegearmen mit Totzone.

Hysterese in der Plattform kann ebenfalls die Positionsstabilität beeinträchtigen. Hysterese kann durch das Auftreten reibender Beanspruchungen in der Plattform verursacht werden und durch die Elastizität der Plattformelemente. In der Plattform wird eine hohe Steifigkeit gewünscht, um die Hysterese zu verringern und die Plattformlänge zu stabilisieren.

Eine weitere wichtige Eigenschaft von Plattformen ist die strukturelle Eigenfrequenz bzw. Eigenfrequenz der Struktur. Die Strukturfrequenz kann durch die Frequenz der Querbewegung des Auslegearms dargestellt werden. Falls die Strukturfrequenz der Plattform zu niedrig ist, kann es zu Kopplungen mit Sensoren kommen, welche die Lage des Raumfahrzeugs bestimmen und Signale zu Schubdüsen oder Schwungmassen-Drehscheiben bereitstellen, die die Bewegung des Raumfahrzeugs steuern. Diese Sensoren haben eine Rückkopplungsschleifen-Frequenz. Falls die Strukturfrequenz der Plattform zu nah an der Rückkopplungsschleifen-Frequenz liegt, ist es dann nicht möglich, festrustellen, ob die Bewegung des Raumfahrzeugs gesteuert wird oder ob die Schubdüsen oder die Schwungmassen-Drehscheiben tatsächlich nur auf die Vibrationen der Plattform reagieren und wertvollen Treibstoff verschwenden. Entsprechend ist es wünschenswert, dass die Strukturfrequenz der Plattform sich um einen Sicherheitsabstand von der Rückkopplungsschleifen-Frequenz der Sensoren unterscheidet.

Es ist auch wichtig, dass eine steife Plattform erreicht wird, ohne die Plattform übermäßig schwer zu machen. Für Rauamfahrzeuganwendungen muss das Gewicht der Plattform aus Startgründen gesteuert werden und um den Treibstoffverbrauch zu minimieren.

US 4,337,560 beschreibt einen Manipulator- bzw. Schwenkvorrichtungsarm, der einen innerhalb einer Hülse gleitend angeordneten Arm umfasst. Ein Ausfahr/Einzieh-Motor treibt einen kontinuierlich umlaufenden Riemen an, der sich innerhalb der Hülse bewegt und mit einem Fußende des Arms verbunden ist, um eine Teleskopbewegung des Arms zu bewirken. Weiter sind Riemenantriebe vorhanden, um eine Rotation einer Nockenscheibe zu bewirken.

US 3,496,687 offenbart einen ausziehbaren Auslegearm, der aus einer Vielzahl von im wesentlichen identischen Gestellen gebildet wird, wobei jedes Gestell eine erste und eine zweite Verbindung umfasst, die an einem Punkt zwischen ihren Enden durch eine Zentral- bzw. Drehverbindung verbunden sind, so dass die beiden Verbindungen zu einer scherenartigen Bewegungen fähig sind, und wobei die Verbindungen eines zu einer Stützoberfläche benachbarten Gestells an der Stützobertläche befestigt sind. Ein Zickzack-Seil erstreckt sich von einer Trommel entlang der zweiten Verbindung eines ersten Gestells und dann entlang einer Grenze zwischen dem ersten Gestell und einem zweiten Gestell, bevor es sich weiter entlang der zweiten Verbindung des zweiten Gestells erstreckt, und so weiter. Um den Auslegearm auszufahren, wird das Zickzackseil auf die Trommel gewickelt, um seine Länge zu verringern, wodurch die Scherenverbindungen bewegt und der Arm ausgefahren wird. Das vollständige Ausfahren des Auslegearms wird durch ein zweites Seil eingeschränkt, das sich entlang einer konkaven Seite des Auslegearms erstreckt, und ein drittes Seil ist an einer konvexen Seite des Auslegearms vorgesehen, wobei das dritte Seil mit Lagersegmenten ausgestattet ist, die auf den zweiten Verbindungen jedes Gestells aufliegen, wenn der Auslegearm vollständig ausgefahren ist, um den Auslegearm zu versteifen. Der Auslegearm kann in eine zusammengefaltete als auch in eine vollständig ausgefahrene Position gebracht werden, aber aufgrund seines Ausfahr/Einzieh-Mechanismus ist er auf Zwischenpositionen nicht stabil.

Daher besteht Bedarf an einer ausfahrbaren Auslegearmanordnung, die (i) eine variablere Positionierung erlaubt; (ii) eine Strukturfrequenz aufweist, die nicht mit derjenigen der Sensoren gekoppelt ist, die die Bewegung von Raumfahrzeugen steuern; und (iii) eine einfache Konstruktion aufweist und leicht ist.

ZUSAMMENFASSUNG

Die vorliegende Erfindung stellt eine ausfahrbare Präzisionsauslegearmanordnung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 bereit. Diese ausfahrbare Präzisionsauslegearmanordnung ist zur Verwendung an Raumfahrzeugen und auch für erdgebundenen Anwendungen geeignet, welche die oben genannten Bedürfnisse aufweisen.

Insbesondere hat die Auslegearmanordnung (i) eine genau verstellbare Länge und kann wiederholt in beinahe jeder Zwischenstellung zwischen einer eingefahrenen und einer vollständig ausgefahrenen Position positioniert werden; (ii) ist sie einer nur minimalen linearen Wärmeausdehnung oder -kontraktion über einen weiten Temperaturbereich unterworfen; (iii) hat sie in jeder ausgefahrenen Position im wesentlichen keine Totzone oder Hysterese; (iv) weist sie eine strukturelle Frequenz auf, die den Betrieb der Sensoren, die die Bewegung des Raumfahrzeugs steuern, nicht stört; und (v) weist sie ein hohes Steifigkeit/Gewicht-Verhältnis auf. Zusätzlich hat die Auslegearmanordnung einen einfachen Aufbau und erfordert keine aktive Rückkopplungsschleife, um eine genaue Positionssteuerung des Auslegearms zu erreichen.

Die erfindungsgemäße ausfahrbare Präzisionsauslegearmanordnung umfasst einen ausfahrbaren und einziehbaren Auslegearm mit einem festen Ende, um ihn fest an einer Oberfläche einer Stützstruktur zu sichern, und ein Distalende, das relativ zu dem festen Ende wahlweise bewegbar ist; mindestens drei Seile, wobei jedes Seil ein mit dem Distalende des Auslegearms verbundenes Ende aufweist; und ein Seilausfahrmittel zum Sichern der Stützstruktur, um die Seile während einer entsprechenden Ausfahrung und Rückholung des Auslegearms ausgewählt auszufahren und zurückzuholen bzw. einzuziehen. Die Auslegearmanordnung umfasst weiterhin ein Ausfahrhilfsmittel zum Drücken des Auslegearms, damit dieser ausfährt, und zum Erzeugen einer Dehnungs-Vorspannkraft in jedem der Seile; und ein Antriebs- bzw. Betätigungsmittel, um das Seilausfahrmittel zu betätigen, um die Länge der von dem Seilausfahrmittel ausgefahrenen Seile gewählt zu verändern, um so die Länge zwischen dem festen Ende und dem Distalende zu verändern.

Die Auslegearmanordnung ermöglicht ein genaues, wiederholbares Ausfahren des Auslegearms. Insbesondere ist i) das Distalende des Arms an im wesentlichen jeder Position zwischen vollständig ausgefahrener und vollständig eingefahrener Position positionierbar; ist ii) das Distalende wiederholbar an im wesentlichen jeder ausgefahrenen Position des Auslegearms positionierbar; und ist iii) die Position des Distalendes im wesentlichen in jeder ausgefahrenen Position lagemäßig stabil.

Der Arm ist vorzugsweise ein Scheren-Auslagearm, der Dehnungsenergiegelenke umfasst, um das Ausfahren des Auslegearms zu unterstützen.

Die Auslegearmanordnung umfasst vorzugsweise drei Seile und das Seilausfahrmittel umfasst vorzugsweise drei Seil- bzw. Kabeltrommeln, wobei jedes der Seile an einem Ende mit einer der Kabeltrommeln verbunden ist.

Die Seile werden vorzugsweise aus einem steifen Material mit niedriger Dichte mit einem sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten gebildet. Ein hervorragendes Material zum Bilden der Seile ist Graphit. Graphitseile können beschichtet sein, um den Wärmeausdehnungskoeffizienten wahlweise auf ultraniedrige Werte hin anzupassen.

Die Kabeltrommeln sind vorzugsweise auf der Stützstruktur im wesentlichen symmetrisch relativ zueinander so positionierbar, dass sich die Seile in ungefähr dem gleichen Winkel relativ zur Oberfläche der Stützstruktur zwischen den Kabeltrommeln und dem Distalende des Auslegearms erstrecken.

Das Antriebs- bzw. Betätigungsmittel umfasst vorzugsweise drei Schrittmotoren, die antriebsmäßig mit drei Kabeltrommeln verbunden sind. Das Betätigungsmittel kann darüber hinaus zumindest einen Positionssensor umfassen, um die Position des Distalendes des Auslegearms zu messen. Die gemessene Position kann dazu verwendet werden, die Schrittmotoren zu betätigen, um die Kabeltrommeln anzutreiben.

ZEICHNUNGEN

Diese und andere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden durch die folgende Beschreibung, angefügten Ansprüche und beigefügten Zeichnungen besser verständlich, in denen:

1 eine perspektivische Draufsicht auf einen verstauten ausfahrbaren Präzisions-Auslegearm gemäß der Erfindung ist, die ein an einer Stützstruktur befestigtes Ende des Auslegearms und ein am gegenüberliegenden Ende des Auslegearms befestigtes Interferometer zeigt;

2 eine perspektivische Draufsicht auf den ausfahrbaren Auslegearm aus 1 ist, wenn er voll ausgefahren ist;

3 eine Seitenansicht des ausfahrbaren Auslegearms aus 1 ist, wenn er voll ausgefahren ist;

4 eine perspektivische Draufsicht ist, die ein Paar erfindungsgemäßer ausfahrbarer Präzisions-Auslegearme zeigt, wobei jeder Auslegearm ein an einer Stützstruktur montiertes festes Ende aufweist sowie ein distales Ende, an welchem ein Interterometer montiert ist;

5 eine perspektivische Ansicht von unten auf die ausfahrbaren Präzisions-Auslegearme aus 4 ist;

6 eine perspektivische Draufsicht auf die ausfahrbaren Präzisions-Auslegearme aus 4 ist, die jeden Auslegearm voll ausgefahren zeigt;

7 eine Kabeltrommel und einen zugeordneten Schrittmotor zum Antreiben der Kabeltrommel zeigt; und

8 die ausfahrbaren Präzisionsauslegearme aus 6 zeigt, die an einem Satelliten befestigt sind.

BESCHREIBUNG

In Bezug auf die 13 betrifft die vorliegende Erfindung eine ausfahrbare Präzisionsauslegearmanordnung 10, die zur Verwendung in Raumfahrt- und erdbezogenen Anwendungen geeignet ist. 1 veranschaulicht die Auslegearmanordnung 10 in der voll eingezogenen (verstauten) Position. Die Auslegearmanordnung 10 umfasst einen Auslegearm 12 mit einem festen Ende 14, das an einer Stützstruktur 16 befestigt ist. Die dargestellte Stützstruktur 16 ist eine optische Bank, die zum Befestigen an einem Raumfahrzeug geeignet ist. Die Auslegearmanordnung 10 kann auch an anderen Arten von Stützstrukturen in verschiedenen Weltraum- und erdgebundenen Anwendungen befestigt werden. Eine Vorrichtung 18, wie z. B. ein Interferometer, ist am Distalende 20 der Auslegearmanordnung 10 befestigt. Andere Arten von Apparaten, wie Teleskope, wissenschaftliche Instrumente, Kameras, Antennen und ähnliches, können ebenfalls am Distalende 20 des Auslegearms 12 befestigt werden. Der dargestellte Auslegearm 12 ist als ein Scheren-Auslegearm bekannt. Der Auslegearm 12 umfasst eine Vielzahl an Abschnittselementen 22, die in 1 in vollständig eingezogenem Zustand gezeigt und in 2 in vollständig ausgefahrenem Zustand gezeigt sind. Die Abschnittselemente 22 sind durch Stifte 24 verbunden, und gegenüberliegende Enden der Abschnittselemente 22 sind durch Gelenke 26 verbunden. Die Gelenke 26 sind vorzugsweise Dehnungsenergiegelenke, die jeweils eine Dehnungsenergiefeder (nicht gezeigt) umfassen, um eine Dehnungskraft zu erzeugen, um den Auslegearm 12 so zu drücken, dass er auswärts weg von der Stützstruktur 16 ausfährt. Die Verwendung von Federn in jedem Gelenk 26 stellt eine einheitliche Lastverteilung auf den Auslegearm 12 her und verringert Reibungslasten in den Gelenken 26.

Optional können eine einzelne Ausfahrhilfsfeder oder andere Arten von Ausfahrhilfsmitteln, wie beispielsweise eine hydraulische Betätigungseinheit (nicht gezeigt), an dem festen Ende 14 des Auslegearms 12 angebracht werden, um die Dehnungskraft zum Ausfahren des Auslegearms 12 bereitzustellen.

Der Auslegearm 10 umfasst weiterhin ein Seilausfahrmittel, um die Seile 30 während des Ausfahrens bzw. Einziehens des Auslegearms 12 wahlweise auszufahren und einzuziehen. Das Seilausfahrmittehrmfasst typischerweise eine Vielzahl an Seilaufwicklungsvorrichtungen, wie beispielsweise Kabeltrommeln 28, die an der Stützstruktur 16 befestigt sind. An jeder Kabeltrommel 28 ist ein Seil 30 befestigt. Ein Betrieb der Kabeltrommel 28 bewirkt, dass die Seile 30 abgerollt und aufgerollt werden, um den Auslegearm 12 entsprechend auszufahren und einzuziehen bzw. einzufahren.

Die Kabeltrommeln 28 sind an der Stützstruktur 16 an winklig beabstandeten bzw. gradeingeteilten Standorten befestigt. Wie gezeigt, sind die drei Kabeltrommeln 28 typischerweise symmetrisch mit einer Gradeinteilung von ungefähr 120 Grad zueinander angeordnet.

Bezugnehmend auf 3 erstrecken sich die Seile 30 jeweils von den Kabeltrommeln 28 unter einem Winkel &thgr; relativ zur Stützstruktur 16. Dieser Winkel bestimmt die axialen und seitlichen Komponenten der Spannung in den Seilen 30, und der Winkel kann wahlweise verändert werden. Packungsbeschränkungen können den Winkel der Auslegearmanordnung 10 in Raumfahrtanwendungen einschränken.

Die Seile 30 sind am Distalende 20 des Auslegearms 12 angebracht. Die Seile 30 können direkt am Auslegearm 12 oder zum Beispiel an einer Befestigungsplatte 32 der Vorrichtung 18 befestigt sein, wie gezeigt.

Die Auslegearmanordnung 10 umfasst darüber hinaus ein Betätigungsmittel zum Betätigen der Kabeltrommeln 28, um die Länge der von den Kabeltrommeln 28 ausgefahrenen Seile 30 wahlweise zu verändern, um die ausgefahrene Länge des Auslegearms 12 zu verändern. Bezugnehmend auf 7 werden die Kabeltrommeln 28 vorzugsweise jeweils getrennt durch eine Betätigungseinheit angetrieben, die einen Schrittmotor 33 und eine zugeordnete Antriebselektronik (nicht gezeigt) umfasst. Der Schrittmotor 33 sorgt für eine genaue Ausgabe und Einziehung der Seile 30 zur genauen Positionssteuerung des Distalendes 20 des Auslegearms 12. Die Kabeltrommeln 28 sind vorzugsweise präzisionshergestellt, so dass die Seil- bzw. Kabelrinne 29 eine durchgehende Spirale ist, die einen im wesentlichen konstanten Durchmesser entlang der Rinne 29 aufweist. Die Kabeltrommeln 28 und die Schrittmotoren 33 erlauben es der Vorrichtung 18, axial in Schrittweiten bewegt zu werden, die typischerweise bis zu 20 Mikrometer klein sind, wodurch eine nahezu unbegrenzte axiale Anpassung der Vorrichtung 18 bereitgestellt wird, um seine genaue Positionierung zu gewährleisten. Zusätzlich kann die Vorrichtung 18 ausgewählt bewegt und an anderen axial ausgefahrenen Positionen genau neu positioniert werden, oder sie kann vollständig eingezogen werden. Weiterhin kann die Vorrichtung 18 wiederholt an der im wesentlich gleichen axialen Position neu positioniert werden.

Jede Kabeltrommel 28 wird vorzugsweise ausgewählt unabhängig durch einen Schrittmotor 33 betätigt bzw. angetrieben, um eine seitliche Positionierung des Auslegearms 12 und der Vorrichtung 18 zu ermöglichen. Eine seitliche Anpassung des Auslegearms 12 mit Schrittweiten bis herunter zu ungefähr 150 Mikrometern kann typischerweise mit dem Auslegearm 10 erreicht werden.

Das Betätigungsmittel der Auslegearmanordnung 10 kann darüber hinaus einen oder mehrere Positionsmess- oder Abstandsmessvorrichtungen umfassen, wie beispielsweise einen optischen Entfernungsmesser 34 (2) oder dergleichen, die den Standort der Vorrichtung präzise 18 messen. Solch eine Vorrichtung kann auch darin eingebunden sein, die seitliche Position der Vorrichtung 18 zu steuern. Der Entfernungsmesser 34 bestimmt die Position der Vorrichtung 18 und erzeugt ein Signal zum Antrieb bzw. zur Betätigungseinheit, um die Kabeltrommeln 28 anzutreiben, um die Seile 30 auf der Grundlage der gemessenen Position ab- oder aufzurollen. Das Signal kann in die Antriebselektronik der Schrittmotoren 33 eingegeben werden, um die Schrittmotor 33 -Zähler anzupassen, um eine noch größere Genauigkeit zu erreichen.

Der Auslegearmanordnung 10 umfasst vorzugsweise drei Seile 30 und entsprechend drei Kabeltrommeln 28 und Schrittmotoren 33. Der Auslegearm 12 und drei Seile 30 bilden einen Dreibeinaufbau mit einer hohen Struktur- und Formstabilität. Weniger als drei Seile 30 ermöglichen nicht die benötigte seitliche Abstützung des Auslegearms 12. Mehr als drei Seile 30 stellen die notwendige seitliche Abstützung bereit, aber bringen überflüssige Lastwege mit sich. Zusätzlich fügen überflüssige Seile unerwünschtes Gewicht hinzu, und zwar zusammen mit demjenigen der erforderlichen zusätzlichen Kabeltrommeln und Betätigungseinheiten der Auslegearmanordnung 10.

Der Auslegearm 12 erzeugt eine Dehnungsvorspannkraft in den Seilen 30, um die Auslegearmanordnung 10 zu stabilisieren. Verschiedene Arten von Auslegearmen, welche die gleiche Funktion erfüllen, können wahlweise verwendet werden. Zum Beispiel kann in einigen Anwendungen ein Teleskoprohrsystem (nicht gezeigt) statt des dargestellten Scherenauslegearms 12 eingesetzt werden. Solch ein Rohrsystem wird jedoch weniger bevorzugt als der Scherenauslegearm 12, weil, obwohl das Rohrsystem eine hohe Stabilität und Steifheit in voll ausgefahrener Position aufweist, es weniger stabil auf Zwischenpositionen ist. Entsprechend sind Rohrsysteme gut für Anwendungen des Auslegearms 10 geeignet, die keine Zwischenpositionierung des Auslegearms 12 erfordern.

Die Dehnungskraft in den Seilen 30 beseitigt im wesentlichen die Totzone in der Auslegearmanordnung 10. Jegliches axiale Spiel in den Abschnittselementen 22 des Auslegearms 12 wird durch die Dehnungskraft in den Seilen 30 ausgeglichen, so dass die Länge des ausgefahrenen Auslegearms 12 hochgradig stabil ist. Folglich ist der genaue Standort der an dem Auslegearm 12 befestigten Vorrichtung 18 immer genau bestimmbar. Zusätzlich erlaubt die Beseitigung der Totzone in der Auslegearmanordnung 10 es dem Raumfahrzeugsteuersystem, die Bewegung des Raumfahrzeugs effektiv zu steuern, ohne die Effekte der Totzone in der Auslegearmanordnung 10 überwinden zu müssen.

Die Dehnungskraft in den Seilen beseitigt auch eine Hysterese in dem Auslegearm 12. Das heißt, dass dann, falls eine Gelenkverbindung 26 des Auslegearms 12 entlastet wird, nachdem der Auslegearm 12 an einer Steile positioniert ist, der sich aus der Lösung der Reibung ergebende Lastwechsel nicht ausreicht, um die Länge der Seile 30 und entsprechend die Position der an dem Auslegearm 12 befestigten Vorrichtung 18 wesentlich zu verändern.

Die Seile 30 dienen so lange als Strukturelemente, bis die Dehnungsvorspannkraft durch den Auslegearm 12 auf die Seile 30 ausgeübt wird. Die Seile 30 sind vorzugsweise aus einem Material gebildet, das eine hohe Steifigkeit und ein hohes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht aufweist, so dass die hohe Steifigkeit nicht durch ein signifikantes Ansteigen des Gewichts der Auslegearmanordnung 10 ereicht wird.

Eine hohe Steifigkeit in den Seilen 30 bietet verschiedene Vorteile. Die Seile 30 dienen als primäre bzw. Haupt-Strukturelemente der Auslegearmanordnung 10, und so stellt eine hohe Steifigkeit eine hohe strukturelle Stabilität der Auslegearmanordnung 10 her. Eine hohe Steifigkeit sichert auch eine hohe Positionsstabilität des Distalendes 20 des Auslegearms 12 und der befestigten Vorrichtung 18.

Ein hervorragendes Material zum Bilden der Seile 30, das eine hohe Steifigkeit und ein hohes Steifigkeit/Gewicht-Verhältnis bereitstellt, ist Graphit.

Die Seile haben vorzugsweise eine Dichte von weniger als ungefähr 1,94 g/cm3 (ca. 0,07 lb/in3) und einen absoluten Wert eines Wärmeausdehnungskoeffizienten von weniger als ungefähr 0,018 × 10–6 1/°C (ca. 0,01 × 10–6 in/in-°F).

Die Seile 30 stellen dem Distalende 20 des Auslegearms 12 eine Positionsstabilität bereit, und daher ist es wichtig, dass die Seile 30 formstabil sind. Zum Beispiel in Weltraumanwendungen kann sich die Temperatur im Raum während des Flugs auf der Umlaufbahn des Raumfahrzeugs wesentlich verändern. Graphite hat einen extrem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Für Graphitseile 30 liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient der Seile 30 bei ungefähr –0,018 × 10–6 1/°C (ca. –0,01·10–6 in/in-°F). Entsprechend erzeugen sogar große Temperaturänderungen, welche die Auslegearmanordnung 10 erfährt, nur minimale Veränderungen in der Länge der Seile 30.

Zudem wird nicht jede Wärmeausdehnung (oder -kontraktion) des Auslegearms 12 auf die Seile 30 übertragen, weil die in dem Auslegearm 12 erzeugten Kräfte größenmäßig nicht ausreichen, die Dehnungskräfte in den Seilen 30 zu überwinden, und so bleibt das Ende des Auslegearms 12 im wesentlichen fest bzw. fixiert. Diese Formstabilität gewährleistet, dass die Position der an dem Auslegearm befestigten Vorrichtung 18 im wesentlichen an allen ausgefahrenen Positionen des Auslegearms 12 fest bleibt.

Um den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Seile 30 weiter zu reduzieren, können die Seile 30 durch Aufgeben eines geeigneten Beschichtungsmaterials, wie beispielsweise Nickel, auf die Graphitseile ausgebildet werden. Das Beschichtungsmaterial hat vorzugsweise einen positiven Wärmeausdehnungskoeffizienten. Der sich ergebende Wärmeausdehnungskoeffizienten der beschichteten Graphitseile kann typischerweise an einen Absolutwert von weit weniger als ungefähr 0,5 × 10–6 in/in-°F ausgewählt angepasst werden. Die vernickelten Graphitseile sind typischerweise mit einer Hülle aus Material wie beispielsweise "DACRON" überzogen.

Die Graphitseile 30 stellen auch eine ausreichend hohe strukturelle Eigenfrequenz der Auslegearmanordnung 10 bereit, um eine Kopplung mit den Raumfahrtzeug-Lagesensoren zu verhindern. Hierbei ist die strukturelle Frequenz die Frequenz der seitlichen Bewegung der Auslegearmanordnung 10. Die strukturelle Frequenz der Auslegearmanordnung 10 ist typischerweise größer als ungefähr 1 Hz. Die Rückkopplungsschleifen-Frequenz der in den Raumfahrzeugen verwendeten Lagesensoren beträgt typischerweise weniger als 1 Hz. Entsprechend sorgen die Graphitseile 30 für einen ausreichenden Unterschied zwischen diesen beiden Frequenzen, um das Problem der Frequenzkopplung zu beseitigen. Folglich sind die Schubdüsen und die Schwungmassen-Drehscheiben in der Lage, ihre Aufgabe des Steuerns der Lage des Raumfahrzeugs zu erfüllen und nicht auf Vibrationen in der Auslegearmanordnung 10 zu reagieren, und wertvoller Treibstoff wird nicht für eine unnötige Benutzung der Lagesteuervorrichtungen verschwendet.

Der Auslegearm 12 kann ebenfalls aus Graphit geformt sein, um die gleichen oben beschriebenen Vorteile, die durch die Seile 30 bereitgestellt werden, vorzusehen.

Bezugnehmend auf die 46 kann mehr als eine erfindungsgemäße ausfahrbare Auslegearmanordnung 10 an einer Stützstruktur 36 befestigt werden. Wie gezeigt, ist ein Paar ausfahrbarer Auslegearme 10 entlang einer im wesentlichen gemeinsamen Längsachse befestigt.

Bezugnehmend auf 5, ist die Stützstruktur 36 an einer Basis bzw. einem Sockel 38 befestigt. Die Kabeltrommeln 28 sind Seite an Seite an Stützklammern 40 angebracht, die mit der Basis 38 verbunden sind. Die Basis 38 kann an einer Oberfläche, wie beispielsweise einer Außenwand, eines Satelliten angebracht sein. Abscherstifte 42, die an dem Paar von Interferometern 18 bereitgestellt werden, befinden sich im Eingriff mit Nuten 44, die an gegenüberliegenden Enden der Basis 38 in der dargestellten verstauten Position der Auslegearmanordnungen 10 ausgebildet sind. Ein Verrieglungsmechanismus 46 ist typischerweise vorgesehen, um die Auslegearmanordnungen 10 während Start- und des Landevorgängen in der verstauten Position zu halten.

6 zeigt die vollständig ausgefahrenen Auslegearme 12. Die Pfeile A zeigen die Lichtpfade für die Interferometer 18 an. Durch das paarweise Montieren der Interferometer 18 an den Distalenden 20 der ausgerichteten Auslegearme 12 ist es möglich, entfernte Planeten und Sonnensysteme durch kreisförmiges Drehen der Auslegearme 12 auszumessen, wie durch Pfeile B dargestellt. Für Änderungen in der Größe des Blendendurchmessers kann die Länge jedes Auslegearms 12 präzise verändert werden. Die Fähigkeiten zum genauen Positionieren des Auslegearms 12 ermöglichen es den Interferometern 18, in der gleichen Entfernung von der Stützstruktur 36 positioniert zu sein, um eine gleichförmige kreisförmige Abbildung bereitzustellen. Zusätzlich ermöglichen es die Auslegearme 12, dass die Interferometer 18 im wesentlichen an jeder Stelle wiederholt positioniert werden können, zum Beispiel, wenn eine Messung genau wiederholt werden muss.

8 zeigt die ausgefahrenen Auslegearmanordnungen 10 aus 6, wie sie an einer Basis bzw. einem Sockel 52 an einem Satelliten 50 befestigt sind. Ein Paar von Sonnenkollektorfeldern 54, die an dem Satelliten 50 befestigt sind, ist ebenfalls gezeigt.

Andere Anordnungen von zwei oder mehr erfindungsgemäßen ausfahrbaren Auslegearmanordnungen 10 auf einer Stützstruktur sind ebenfalls möglich (nicht gezeigt). Beispielsweise können Paare von Auslegearmanordnungen 10 parallel zueinander auf einer Stützstruktur befestigt werden oder in einem Winkel relativ zueinander befestigt werden.

Die erfindungsgemäße Auslegearmanordnung 10 ist für verschiedene erdgebundene Anwendungen verwendbar, die das genaue, wiederholte Positionieren eines Objekts erfordern. Beispielsweise kann die Auslegearmanordnung 10 dazu verwendet werden, um Antennen und wissenschaftliche Instrumente auf genaue Positionen auszufahren.

Die Auslegearmanordnung 10 kann in verschiedenen Längen von Auslegearmen 12 bereitgestellt werden. Beispielsweise für Weltraumanwendungen beträgt die Länge des ausgefahrenen Auslegearms 12 typischerweise bis zu 25 Metern. Andere kürzere und längere Auslegearme 12 sind möglich. Die vorgespannten, steifen Seile 30 in Kombination mit der durch die Scheren-Auslegearme 12 bereitgestellt Ausdehnungskraft erzeugen eine hohe Stabilität und eine genaue Positionierung des Auslegearms 12 für einen großen Bereich an Längen des Auslegearms 12.

Obwohl die vorliegende Erfindung in beträchtlicher Genauigkeit mit Bezug zu bestimmten bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, sind andere Ausführungen möglich. Daher sollte der Umfang der angehängten Ansprüche nicht auf die Beschreibung der hierin enthaltenen bevorzugten Ausführungen beschränkt werden.


Anspruch[de]
  1. Ausfahrbare Präzisionsauslegearmanordnung (10) zur Nutzung an einer Stützstruktur (16, 36), wobei die Auslegearmanordnung (10) umfasst:

    a) einen ausfahrbaren und einziehbaren Auslegearm (12) mit einem festen Ende (14) zum festen Befestigen an einer Oberfläche der Stützstruktur (16, 36) und ein Distalende, das relativ zu dem festen Ende (14) wahlweise bewegbar ist;

    b) mindestens drei Seile (30), wobei jedes Seil (30) ein mit dem Distalende des Auslegearms (12) verbundenes erstes Ende und ein zweites Ende aufweist;

    c) ein an dem zweiten Ende des Seiles (30) befestigtes Seilausfahrmittel, um die Seile (30) während einer Ausfahrung bzw. Rückholung des Auslegearms (12) ausgewählt auszufahren und zurückzuholen, wobei das Seilausfahrmittel an der Stützstruktur (16, 36) befestigt ist;

    d) ein Antriebsmittel zum Antreiben des Seilausfahrmittels (28), um die Länge der Seile (30) gewählt zu verändern, die von dem Seilausfahrmittel (28) ausgefahren werden, um dadurch die Länge des Auslegearms (12) zwischen dem festen Ende (14) und dem Distalende (20) zu verändern;

    dadurch gekennzeichnet, dass die Auslegearmanordnung (10) weiterhin umfasst:

    e) ein Ausfahrhilfsmittel, umfassend eine Feder oder einen hydraulischen Betätiger zum Bereitstellen einer Dehnungskraft, um den Auslegearm (12) zu drücken, damit er ausfährt, und um eine Dehnungs-Vorspannkraft in jedem der Seile herzustellen; und dadurch, dass

    f) das distale Ende (20) des Auslegearms (12)

    (i) an im wesentlichen jeder Position zwischen voll ausgefahrener und voll eingezogenen Positionen positionierbar ist;

    (ii) wiederholt an im wesentlichen jeder ausgefahrenen Position des Auslegearms (12) positionierbar ist; und

    (iii) im wesentlichen an jeder ausgefahrenen Position lagemäßig stabil ist.
  2. Auslegearmanordnung nach Anspruch 1, wobei das Seilausfahrmittel drei Kabeltrommeln (28) und die Auslegearmanordnung (10) drei Seile (30) umfasst, wobei jede Kabeltrommel (28) eine durchgehende spiralförmige Rinne (29) definiert, und das zweite Ende jedes Seiles (30) an einer der Kabeltrommeln (28) befestigt ist.
  3. Auslegearmanordnung nach Anspruch 2, wobei die Kabeltrommeln (28) zueinander im wesentlichen symmetrisch auf der Stützstruktur (16, 36) positioniert sind, so dass die Seile (30) sich in einem ungefähr gleichen Winkel relativ zur Oberfläche der Stützstruktur (16, 36) zwischen den Kabeltrommeln (28) und dem Distalende (20) des Auslegearms (12) erstrecken, so dass sie eine Dreifuss-Anordnung bilden.
  4. Auslegearmanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Betätigungsmittel drei Schrittmotoren (33) umfasst, wobei jeder Schrittmotor (33) antriebsmäßig mit einer der Kabeltrommeln (28) verbunden ist.
  5. Auslegearmanordnung nach Anspruch 4, wobei das Betätigungsmittel weiterhin mindestens einen Positionssensor (34) zum Messen der Position des Distalendes (20) des Auslegearms (12) aufweist, und wobei die Schrittmotoren (33) angetrieben werden, um die Kabeltrommeln (28) auf der Grundlage der gemessenen Position des Distalendes (20) des Auslegearms (12) anzutreiben.
  6. Auslegearmanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Seile (30)

    (i) einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten mit einem Absolutwert von unter ungefähr 0,018 × 10–6 1/°C (ungefähr 0,01 × 10–6 in /in-°F) aufweisen, und

    (ii) eine Dichte von weniger als 1,94 g/cm3 (ungefähr 0,07 lb/in3) aufweisen.
  7. Auslegearmanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Seile (30) Graphit oder vernickeltes Graphit enthalten.
  8. Auslegearmanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Auslegearm (12) ein Scheren-Auslegearm ist, der eine Mehrzahl von Beinen (22) umfasst, die durch Gelenke (26) miteinander verbunden sind, wobei das Ausfahrhilfsmittel eine Mehrzahl von Dehnungsenergiefedern umfasst, wobei jede Feder in einem der Gelenke (26) angebracht ist.
  9. Auslegearmanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Auslegearm (12) Graphit enthält.
  10. Auslegearmanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Auslegearmanordnung (10) aufweist:

    (i) eine strukturelle Frequenz von größer als ungefähr 1 Hz,

    (ii) so gut wie keine Totzone, and

    (iii) so gut wie keine Hysterese.
  11. Anordnung, umfassend

    (a) eine Stützstruktur (16, 36) mit mindestens einer Stützroberfläche; und

    (b) mindestens eine ausfahrbare Präzisionsauslegearmanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die an der Stützoberfläche (16, 36) befestigt ist.
  12. Anordnung nach Anspruch 11, aufweisend eine Mehrzahl von Auslegearmanordnungen (10), die an der Stützoberfläche (16, 36) befestigt sind.
  13. Raumfahrzeug-Anordnung, umfassend

    (a) ein Raumfahrzeug mit mindestens einer ersten Stützoberfläche; und

    (b) mindestens eine ausfahrbare Präzisionsauslegearmanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, die an der ersten Stützoberfläche befestigt ist.
  14. Raumfahrzeug-Anordnung nach Anspruch 13, wobei das Raumfahrzeug ein Satellit (50) ist.
  15. Raumfahrzeug-Anordnung nach Anspruch 13 oder 14, das zwei ausfahrbare Auslegearmanordnungen (10) umfasst, und wobei das Raumfahrzeug weiterhin eine zweite Stützoberfläche umfasst, wobei die Auslegearmanordnungen (10) so an den ersten und zweiten Stützoberflächen angebracht sind, dass die Auslegearme (12) im wesentlichen entlang einer gemeinsamen Achse liegen, und die Distalenden (20) der Auslegearme (12) in entgegengesetzte Richtungen zeigen.
Es folgen 8 Blatt Zeichnungen






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