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Dokumentenidentifikation DE60302370T2 27.07.2006
EP-Veröffentlichungsnummer 0001332966
Titel Rahmenstruktur
Anmelder Japan Aerospace Exploration Agency, Chofu, Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Yamawaki, Koji, Tsukuba-shi, Ibaraki 305-8505, JP
Vertreter Böck, Tappe, Kirschner Rechtsanwälte Patentanwälte, 81479 München
DE-Aktenzeichen 60302370
Vertragsstaaten DE, FR, GB
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 28.01.2003
EP-Aktenzeichen 032505059
EP-Offenlegungsdatum 06.08.2003
EP date of grant 23.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.07.2006
IPC-Hauptklasse B64G 1/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse E04B 7/10(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01Q 1/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   H01L 31/045(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   E04B 1/344(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rahmenstruktur, die durch Falten in eine kompakte Form einzubinden ist, und insbesondere auf solch eine Rahmenstruktur, die leicht durch den Weltraum transportiert und an einer gewünschten Stelle entfaltet werden kann, so dass sie eine ebene oder eine dreidimensionale Struktur mit einem hohen Freiheitsgrad bildet.

Bei einer Konstruktion einer großen Raumfahrtstruktur haben die Konstruktionsarbeiten auf der Umlaufbahn zugenommen und sind komplizierter geworden, da die Struktur größer geworden ist, und daher sind Einrichtungen, wie ein Konstruktionsroboter, auf der Umlaufbahn und Arbeiten, die von Astronauten außerhalb des Raumschiffes durchgeführt werden, unvermeidlich.

Es gibt eine Technik zum Konstruieren einer großen Weltraumstruktur, die als „aufblasbar" bezeichnet wird. In dieser Technik wird als erstes eine Membranstruktur mit Gas aufgeblasen, und dann wird die Struktur chemisch und/oder physikalisch verfestigt, um eine Struktur zu bilden. Es scheint so zu sein, dass diese Struktur leicht zu konstruieren und extrem leichtgewichtig ist. Es ist jedoch schwierig, zu kontrollieren, dass die Form der Struktur präzise ausgebildet wird. Daher sind die Anwendungsfälle für diese Technik begrenzt. Zusätzlich hat die Technik den Nachteil, dass die Struktur nicht in hohem Maße zu rezyklieren ist.

Im Falle von Solarbatterien, die auf einem Satelliten montiert sind, verwenden viele solche Batterien eine ausgestreckte Platte, die gefaltet ist, wenn sie verpackt ist, und die auf der Umlaufbahn zu einer langen Platte ausgedehnt wird. Diese Strukturen nach dem Stand der Technik haben Vorteile, dass sie leicht verpackt werden können und dass ihre Aufspannmechanismen einfach sind. Andererseits haben sie jedoch die Probleme, dass ihre Arten der Aufspannung auf eine Dimension begrenzt sind, und dass sie nicht auf größere Strukturen anwendbar und anpassbar sind.

Wenn große Raumfahrtstrukturen, beispielsweise Raumfahrtstationen, im Weltraum konstruiert werden, ist es ferner erwünscht, Allzweck-Strukturteile zu verwenden, die durch einfache Arbeit zusammengebaut werden können, und es ist erforderlich, solche Teile wirkungsvoll zu transportieren. Beispielsweise werden ein Panel für eine Solarbatterie und eine Antenne gewöhnlich in kompakte Formen gefaltet und verpackt, wenn sie transportiert werden, und sie werden auf der Umlaufbahn entfaltet. Die bisher zur Verfügung gestellten Techniken erfüllen jedoch nicht immer diese Erfordernisse.

JP 62015904 offenbart eine Expansionsantenne mit einem hexagonalen Faltrahmen.

Entsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die gerade beschriebenen Probleme zu lösen. Die vorliegende Erfindung stellt eine Struktur bereit, die eine spezielle Zubehörtechnik oder Einrichtung nicht erfordert, um die Struktur aufzubauen selbst dann, wenn eine Weltraumstruktur, die aufgebaut werden soll, größer wird.

Grundsätzlich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufblasbare Struktur bereitzustellen, die leicht und präzise in eine gewünschte Form entfaltet werden kann.

Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Struktur bereitzustellen, die nicht nur eine zweidimensionale Struktur sondern auch eine dreidimensionale Struktur haben kann, indem die Struktur, die eine charakteristische Konstruktion hat, angeschlossen, gefaltet und entfaltet wird.

Die gerade beschriebenen Aufgaben werden erreichbar durch eine Rahmenstruktur, die eine Struktureinheit hat, welche sechs ausgestreckte Stäbe enthält, wobei jeder Stab erste und zweite Enden hat, wobei die Struktureinheit imstande ist, wenigstens einen entfalteten Zustand, in dem die sechs Stäbe im wesentlichen in einer Ebene enthalten sind, und einen gefalteten Zustand zu haben, in dem die sechs Stäbe sich im wesentlichen parallel zueinander erstrecken, wobei die Rahmenstruktur umfasst Stabmittelpunktsgelenke, die in jedem der Stäbe ausgebildet sind, um die Stäbe der Struktureinheit ungefähr in den Mittelpunkten der Stäbe faltbar zu halten, ein Zentralgelenk, um die Stäbe der Struktureinheit an den ersten Enden von jedem der Stäbe in einer Ebene, die senkrecht auf der Ebene des entfalteten Zustands steht, drehbar zu lagern, wobei die sechs Stäbe der Struktureinheit in dem entfalteten Zustand so positioniert sind, dass sich die Stäbe radial im wesentlichen in einer Ebene von dem Zentralgelenk aus erstrecken, so dass eine Linie, welche die zweiten Enden der sechs Stäbe der Struktureinheit verbindet, im wesentlichen ein gleichseitiges Sechseck bildet, wobei die sechs Stäbe der Struktureinheit an dem ersten Ende durch das Zentralgelenk im gefalteten Zustand gebunden sind und durch das Zentralgelenk so faltbar sind, dass sich die sechs Stäbe parallel zueinander erstrecken, ausgestreckte Verbindungsstäbe, die in ihrem gebeugten Zustand so angeordnet sind, dass sie die zweiten Enden benachbarter Stäbe der Struktureinheit miteinander verbinden, und Spitzengelenke, um das zweite Ende des Stabes der Struktureinheit mit einem Paar der Enden der Verbindungsstäbe zu verbinden, die an beiden Seiten des zweiten Endes angeordnet sind, und die charakterisiert ist durch ein erstes Membranelement, welches in einer Ebene ausgebreitet ist, die von nebeneinander liegenden Teilen der ersten Stäbe, die Teile jener Stäbe der Struktureinheit sind, von dem Zentralgelenk zu dem Stabmittelpunktsgelenken gebildet wird, und ein zweites Membranelement, welches in einer Ebene ausgebreitet ist, die von benachbarten zweiten Stäben gebildet wird, die Teile der Stäbe der Struktureinheit von den Stabmittelpunktsgelenken zu dem zweiten Ende sind, derart, dass die ersten und die zweiten Membranelemente im entfalteten Zustand eine Membranstruktur aus gleichseitigen Sechsecken bilden, deren Mittelpunkt das Zentralgelenk in einer Ebene ist, und die im gefalteten Zustand durch ein Zusammenwirken mit den Stäben und den Verbindungsstäben der Struktureinheit eingebunden sind.

In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, dass jeder der Stäbe der Struktureinheit einen gebeugten Zustand hat, der &bgr; = 2 × (90° – &agr;) erfüllt, worin &agr; ein Anschlußwinkel zwischen dem Stab der Struktureinheit und dem Zentralgelenk an dem ersten Ende ist und &bgr; ein Beugewinkel des Stabes in seinem gebeugten Zustand an dem Stabmittelpunktsgelenk zwischen dem entfalteten und dem gefalteten Zustand ist. Ferner kann die Rahmenstruktur des Weiteren eine Vielzahl von Struktureinheiten umfassen, und die Rahmenstruktur kann ferner Einheiten-Anschlußgelenke haben, um jedes zweite Ende der Stäbe benachbarter Struktureinheiten und jeweils ein Ende eines Paares der Verbindungsstäbe oder jedes zweite Ende der Stäbe von drei benachbarten Struktureinheiten und jeweils ein Ende von drei Verbindungsstäben, die zu der Struktureinheit gehören, drehbar zu lagern, und wobei die Einheiten-Anschlußgelenke eine Vielzahl der Struktureinheiten verbinden.

Die Rahmenstruktur kann ferner ein Verbindungselement haben, um das Spitzengelenk und das Zentralgelenk zu verbinden, und Mittel zur Winkeleinstellung, um einen Beugewinkel der Struktureinheit und der Verbindungsstäbe auf einen vorbestimmten Winkel einzustellen, indem das Verbindungselement so gesteuert wird, dass es einen Abstand zwischen dem Spitzengelenk und dem Zentralgelenk einstellt. In diesem Zusammenhang kann der Abstand zwischen dem Spitzengelenk und dem Zentralgelenk innerhalb einer Ebene eingestellt werden.

Die Rahmenstruktur kann des weiteren ein Verbindungselement, um die Spitzengelenke und das Einheiten-Anschlußgelenk zu verbinden, und Mittel haben, um einen Anschlußwinkel oder eine Beugewinkel der Struktureinheit und der Verbindungsstäbe auf einen vorgegebenen Wert einzustellen, indem das Verbindungselement so gesteuert wird, dass es einen Abstand zwischen dem Spitzengelenk und dem Einheiten-Anschlußgelenk einstellt.

In diesem Zusammenhang kann der Abstand zwischen dem Spitzengelenk und dem Einheiten-Anschlußgelenk innerhalb einer Ebene eingestellt werden.

Im übrigen können das Spitzengelenk, das Zentralgelenk und das Einheiten-Anschlußgelenk dieselbe Spezifikation haben. Wenn ein Gelenk, das einen Winkel des Aufnahmeteils zum Aufnehmen des Endes des Stabes des Spitzengelenks oder zur Aufnahme des Zentralgelenks ermöglicht, der einstellbar ist, kann dieses Gelenk als Zentralgelenk oder als Spitzengelenk verwendet werden, indem der Winkel auf 180° eingestellt wird.

Spezielle Ausführungsbeispiele gemäß dieser Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine perspektivische Darstellung des Stabes ist, der die Rahmenstruktur der vorliegenden Erfindung bildet;

2 eine perspektivische Darstellung der Struktureinheit ist, die eine sechsteilige Kombination hat;

3 eine perspektivische Darstellung ist, die das Zentralgelenk im Einsatz zeigt;

4 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gefalteten Zustand der Struktureinheit zeigt;

5 eine perspektivische Darstellung ist, die einen entfalteten Zustand der Struktureinheit zeigt;

6 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gebeugten Zustand der Rahmenstruktur zeigt, die eine zwölfteilige Kombination hat;

7 eine perspektivische Darstellung ist, die das Spitzengelenk im Einsatz zeigt;

8 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gefalteten Zustand der Rahmenstruktur zeigt, die eine zwölfteilige Kombination hat;

9 eine perspektivische Darstellung ist, die einen entfalteten Zustand der Rahmenstruktur zeigt, die eine zwölfteilige Kombination hat;

10 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gebeugten Zustand der Rahmenstruktur zeigt, die eine Rahmenstruktur enthält, die eine zwölfteilige Kombination und ein Membranelement, das daran befestigt ist, hat;

11 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gefalteten Zustand der Rahmenstruktur von 10 zeigt;

12 eine perspektivische Darstellung ist, die einen entfalteten Zustand der Rahmenstruktur von 10 zeigt;

13 eine perspektivische Darstellung ist, die den Zustand des Membranelements auf halbem Wege zu dem gefalteten Zustand zeigt;

14 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gebeugten Zustand einer Kombination einer Vielzahl von Rahmenstrukturen zeigt, die eine zwölfteilige Kombination haben;

15 eine Draufsicht ist, die einen entfalteten Zustand der Rahmenstruktur von 14 zeigt;

16 eine Draufsicht ist, die das Einheiten-Anschlußgelenk im Einsatz zeigt;

17 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gefalteten Zustand der Rahmenstruktur von 14 zeigt;

18 eine Endansicht ist, die einen gefalteten Zustand der Rahmenstruktur von 14 zeigt;

19 eine perspektivische Darstellung ist, die einen entfalteten Zustand der Rahmenstruktur von 14 zeigt;

20 eine perspektivische Darstellung ist, die einen nahezu gefalteten Zustand der Rahmenstruktur zeigt, die aus einer Kombination einer Vielzahl von Rahmenstrukturen besteht, an denen das Membranelement befestigt ist, wie in 10 gezeigt ist;

21 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gebeugten Zustand der Rahmenstruktur von 20 zeigt;

22 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gebeugten Zustand nahe bei dem entfalteten Zustand der Rahmenstruktur von 20 zeigt, die einen größeren Anschlußwinkel hat;

23 eine weiterentwickelte Darstellung der Rahmenstruktur von 20 ist;

24 eine perspektivische Darstellung einer Rahmenstruktur ist, die durch Verbindung der Rahmenstruktur von 10 erhalten wird;

25 eine perspektivische Darstellung ist, die das Gelenk mit einstellbarem Anschlußwinkel im Einsatz zeigt;

26 eine perspektivische Darstellung einer angeschlossenen Rahmenstruktur ist, die durch Verbinden der Rahmenstruktur von 10 in einer Ringform unter Verwendung des Gelenks mit einstellbarem Anschlußwinkel;

27 eine perspektivische Darstellung ist, die einen entfalteten Zustand der angeschlossenen Rahmenstruktur von 16 zeigt;

28 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gefalteten Zustand von jeder der Rahmenstrukturen zeigt, die die angeschlossene Rahmenstruktur von 26 bilden;

29 eine perspektivische Darstellung ist, die einen gefalteten Zustand der angeschlossenen Rahmenstruktur von 26 zeigt, wobei sie gefaltet ist, indem der Anschlußwinkel des Gelenks mit einstellbarem Anschlußwinkel auf 180° eingestellt wird; und

30 eine perspektivische Darstellung ist, die ein Beispiel eines gefalteten Zustands der Rahmenstruktur zeigt, in der das Membranelement befestigt ist, wie in 10 gezeigt ist, wobei ein Draht zwischen den Spitzengelenken und dem Zentralgelenk gespannt ist, so dass sie einen Einstellmechanismus haben, der die Länge des Drahtes einstellbar gemacht wird.

Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen werden im folgenden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bezugnehmend auf 1 ist ein Ausführungsbeispiel des Stabes 1, der für die Rahmenstruktur der vorliegenden Erfindung verwendet wird, gezeigt. Der Stab 1 dieses Ausführungsbeispiels hat zwei Stabteile, die einen kanalförmigen Querschnitt haben, einen ersten Stabteil 2 und einen zweiten Stabteil 3, die die selbe Länge und Struktur haben. Die ersten Enden von jedem der zwei Stabteile 2, 3 sind drehbar durch ein Stabmittelpunktsgelenk 4 verbunden. Das Stabmittelpunktsgelenk 4 besteht aus einem Element, das eine Kanalform hat, und es erstreckt sich so, dass es senkrecht zu den Stabteilen 2, 3 in dem gefalteten Zustand des Stabes ist, wo die Stabteile 2, 3 sich parallel zueinander erstrecken. Andererseits erstreckt sich das Stabmittelpunktsgelenk 4 in die Richtung, in die sich die Stabteile 2, 3 in dem entfalteten Zustand erstrecken, wo die Stabteile 2, 3 so erscheinen, als wären sie ein Stab 1. Zusätzlich sind Drehachsen 5, 6 vorgesehen, um jeden der Stabteile 2, 3 zu tragen. Die beiden Enden der Achsen 5, 6 sind an Flanschteilen des Stabmittelpunktsgelenks 4 gelagert.

Bezugnehmend auf 2 und 3 ist eine sechsteilige Struktureinheit 7 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt, die aus sechs Stäben 1 besteht. Die Struktureinheit 7 hat eine solche Struktur, dass sechs Stäbe 1 in der Umfangsrichtung mit dem selben Winkel, nämlich nach je 60°, angeordnet sind. An dem mittleren Teil der Struktureinheit ist das Zentralgelenk 8 angeordnet. Wie in 3 gezeigt ist, ist das erste Ende von jedem der sechs Stäbe 1 drehbar durch das Zentralgelenk 8 gelagert. Wie in 3 im Detail gezeigt ist, hat das Zentralgelenk 8 einen Aufnahmeteil 8a, der ein Kanalteil ist, der sich radial von der Mitte in einem Intervall von 60° erstreckt, um jedes Ende des Stabes 1 aufzunehmen. Das erste Ende des Stabes 1 ist drehbar durch den Kanalteil 8a mit Hilfe der Drehachse 9 gelagert. Auf diese Weise kann sich jeder der Stäbe 1 in einer Ebene drehen, die senkrecht zu der Ebene ist, die das Zentralgelenk 8 enthält, und er kann an einer beliebigen Position anhalten. Als Resultat kann er in einem gebeugten Zustand sein, was ein Zustand zwischen einem gefalteten Zustand und einem entfalteten Zustand ist, wie in 2 gezeigt ist. In diesem Zusammenhang kann der zentrale Anschlußwinkel &agr;, welches der Winkel zwischen dem ersten Stabteil 2 von jedem Stab 1 und dem Zentralgelenk 8 ist, beliebig eingestellt werden. Zusätzlich kann ein Beugewinkel &bgr;, welches der Winkel ist, der durch die zwei Stabteile über das Stabmittelpunktsgelenk 4 verwirklicht wird, ebenfalls beliebig eingestellt werden.

In diesem Zusammenhang waren Mechanismen, die es ermöglichen, dass der Stab 1 an einer beliebigen Position in der senkrechten Ebene anhält, und die bewirken, dass die zwei Stabteile durch beliebiges Einstellen eines Beugewinkels &bgr; durch das Stabmittelpunktsgelenk 4 zum Stoppen bringt, an sich bekannt. Beispielsweise kann eine Reibungskraft zwischen der inneren Oberfläche des Kanalteils 8a des Zentralgelenks 8 und die äußere Oberfläche des Stabes 1 zu diesem Zweck verwendet werden. In dem gefalteten Zustand der sechsteiligen Struktureinheit 7 erstreckt sich jeder der Stäbe 1 senkrecht zu einer Ebene, die das Zentralgelenk 8 enthält. Andererseits ist in dem entfalteten Zustand jeder der Stäbe so angeordnet, dass er sich in derselben Ebene wie der erstreckt, der das Zentralgelenk 8 enthält, und dass er sich radial von dem Zentralgelenk in einem Intervall von 60° erstreckt. Wie in 4 gezeigt ist, kann die Struktureinheit 7 in einem gefalteten Zustand sein. In diesem Fall ist jeder der Stäbe über das Stabmittelpunktsgelenk 4 so gefaltet, dass die Stabteile 2, 3 sich vollständig parallel zueinander erstrecken und senkrecht zu dem Zentralgelenk 8 verlaufen. Alternativ kann jeder der Stäbe 1 in einem gefalteten Zustand über das Stabmittelpunktsgelenk 4 gebracht werden oder in einen anderen gefalteten Zustand, so dass die sechs Stäbe 1 sich senkrecht zu dem Zentralgelenk 8 erstrecken, ohne dass der Stab 1 über das Stabmittelpunktsgelenk 4 gefaltet ist. In diesem Fall wird der gefaltete Zustand länger als der Stabformzustand, der in 4 gezeigt ist, wo der Stab 1 gefaltet ist.

Wie gerade beschrieben wurde, ist die Struktureinheit 7 in ihrem entfalteten Zustand so angeordnet und positioniert, dass ihre sechs Stäbe sich radial von dem Zentralgelenk 8 im wesentlichen in einer Ebene weg erstrecken. Somit bildet eine Linie, die die anderen Enden der sechs Stäbe der Struktureinheit verbindet, im wesentlichen ein gleichschenkliges Sechseck.

Andererseits ist die sechsteilige Struktureinheit in ihrem gefalteten Zustand an dem ersten Ende über das Zentralgelenk 8 gebunden, und sie ist so gefaltet, dass die sechs Stäbe sich über das Zentralgelenk 8 parallel zueinander erstrecken.

Wie oben beschrieben wurde, hat jeder der Stäbe 1 der Struktureinheit 7 einen gebeugten Zustand, der B = 2 × (90° – &agr;) befriedigt, wobei &agr; ein Anschlußwinkel zwischen dem Stab 1 der Struktureinheit 7 und dem Zentralgelenk 8 an dem ersten Ende und &bgr; ein Beugungswinkel des Stabes in seinem gebeugten Zustand zwischen dem entfalteten Zustand und dem gefalteten Zustand an dem Stabmittelpunktsgelenk, wobei alle Enden der Stäbe 1 an der gegenüberliegenden Seite von dem Zentralgelenk (die zweiten Enden) in derselben Ebene wie die liegen, die das Zentralgelenk 8 enthält. Als Resultat liegen die beiden Enden von allen Stäben immer auf derselben Ebene. Wenn &agr; = 0° ist, sind alle Stäbe 1, die die Struktureinheit 7 bilden, in der selben Ebene entfaltet, wie in 5 gezeigt ist, und somit wird diese zweidimensionale (ebene) Struktur gebildet. Wenn &agr; = 90° ist, sind die Stäbe, die die Struktureinheit 7 bilden, in eine Stabform gebunden, wie in 4 gezeigt ist, und sie haben damit eine kompakte Form.

Zusätzlich zu der sechsteiligen Struktureinheit 7 kann die Rahmenstruktur ferner ausgestreckte Verbindungsstäbe 10 haben, die in ihren gebeugten Zuständen angeordnet sind, so dass sie die zweiten Enden der angrenzenden Stäbe der Struktureinheit 7 miteinander verbinden, und Spitzengelenke 11 zum Verbinden des zweiten Endes des Stapels der Struktureinheit 7 mit einem Paar von Enden der Verbindungsstäbe sind an beiden Seiten des zweiten Endes angeordnet.

Als solches wird durch Verwendung des Verbindungsstabes 10, der dieselbe Struktur wie der Stab 1 hat, und durch Verbinden von jedem zweiten Ende um die sechsteilige Struktureinheit 7 herum, die in 2 gezeigt ist, mit diesen eine zwölfteilige Rahmenstruktur 12 gebildet, wie in 6 gezeigt ist. In dieser Hinsicht wird das Spitzengelenk 11, das in 7 gezeigt ist, verwendet, um die Enden der drei Stäbe miteinander zu verbinden. Das Spitzengelenk 11 hat eine Struktur, die einer Hälfte des oben beschriebenen Zentralgelenks 8 entspricht. Insbesondere hat es, um drei Enden der Verbindungsstäbe drehbar aufzunehmen, einen Kanalteil 11a und eine Drehachse 9, die dieselbe Struktur der Kanalteil 8a des Zentralgelenks 8 haben.

Bezugnehmend auf 8 hat, wenn &agr; = 90° in einer zwölfteiligen Rahmenstruktur 12 ist, die einen Umfang der oben beschriebenen Art hat, die Rahmenstruktur einen stabförmigen, gefalteten Zustand ähnlich zu dem, der in 4 gezeigt ist. Andererseits wird, wenn &agr; = 0° ist, eine ebene, sechseckige Rahmenstruktur gebildet, wie in 9 gezeigt ist. Im Vergleich zu der in 2 gezeigten Struktur, die nur eine sechsteilige Struktureinheit hat, ist die Rahmenstruktur mit dieser Umfangsanordnung in ihrer strukturellen Steifigkeit während und nach der Vollendung des Entfaltens davon aufgrund dessen, dass ein Verbindungsstab 11 darin enthalten ist, verbessert.

10 zeigt eine Struktur, die dadurch erhalten wird, dass eine zwölfteilige Rahmenstruktur 12, wie sie in 6 gezeigt ist, mit Membranelementen kombiniert wird. Insbesondere hat die Rahmenstruktur in 10 ferner ein erstes Membranelement 13, das in einer Ebene aufgespannt ist, die durch angrenzende, erste Stabteile 2, die Teile des Stabes 1 der Struktureinheit 7 sind, von dem Zentralgelenk 8 zu den Mittelpunktsgelenken 4 gebildet wird, und ein zweites Membranelement 14, das in einer Ebene aufgespannt ist, die durch angrenzende, zweite Stabteile 3, die Teile des Stabes der Struktureinheit 7 sind, von den Stabmittelpunktsgelenken 4 zu den zweiten Enden gebildet wird.

Die ersten und zweiten Membranelemente 13, 14 bilden in dem entfalteten Zustand eine Membranstruktur eines gleichschenkligen Sechseckes, dessen Zentrum das Zentralgelenk 8 ist, in einer Ebene. In dem gefalteten Zustand sind die ersten und zweiten Membranelemente 13, 14 durch Zusammenwirken mit den Stäben 1 und den Verbindungsstäben 10 der Struktureinheit 7 eingebunden.

Diese Rahmenstruktur, die die Membranelemente hat, ist zum Ausrüsten von glatten Strukturen, beispielsweise für eine Sonnenzellenmembram, erwünscht.

Bezugnehmend auf 12 wird eine Erläuterung einer Vorgehensweise gegeben, um ein Membranelement auf der gesamten Oberfläche der Rahmenstruktur auszubreiten, die die Struktureinheit 7 und den Verbindungsstab 10 enthält, wie in 9 gezeigt ist. Wenn die Länge des Stabes gleich L ist, ist die Länge einer Seite der Rahmenstruktur, die in 12 gezeigt ist, ebenfalls gleich L. Zusätzlich ist die Länge von einer Seite von einem gleichschenkligen Dreieck, das das Sechseck bildet, gleich L. Als Resultat ist die Position des Stabmittelpunktes 4, der an dem Mittelpunkt von jedem Stab 1 liegt, gleich L/2. Da diese Position der Teil für die Faltung ist, wird das Membranelement entlang einer Linie geschnitten, die durch Ziehen eines Kreises gebildet wird, und das Zentralgelenk als seinen Mittelpunkt und einen Radius von L/2 hat, wie in 12 gezeigt ist. So bildet das äußere Ende des ersten Membranelements 13 einen Sechstel-Bogen, und das innere Ende des zweiten Membranelements 14 bildet einen Bogen, der eine Form hat, die zu dem äußeren Ende des ersten Membranelements 13 passt. Indem der Anschlußwinkel &agr; und der Beugewinkel &bgr; in der Struktur mit einer vergebenen Beziehung vorgesehen werden, wird die Membranstruktur, die den gefalteten Zustand hat, der der in 6 gezeigten Form entspricht, erhalten, wie in 10 gezeigt ist. Als solches ist durch Falten der Stäbe 1 der Struktureinheit 7 an ihren Mittelpunkten die Rahmenstruktur in einem kompakt gefalteten Zustand und kann leicht verstaut werden. In dieser Hinsicht kann die Rahmenstruktur ohne Abnehmen der Membranelemente 13, 14 gefaltet werden, wie in 11 gezeigt ist. In diesem Fall können die Membranelemente 13, 14 zwischen den Stäben 1 und zwischen den Verbindungsstäben 10 eingebunden sein, die in eine Stabform gefaltet sind. Zusätzlich können die Membranelemente um die stabförmige Rahmenstruktur gewickelt oder in einer Ziehharmonikaform gefaltet werden, wie in 13 gezeigt ist.

Bezugnehmend auf die 14 bis 19 wird noch ein weiteres Ausführungsbeispiel der Rahmenstruktur erläutert. Diese Struktur wird dadurch erhalten, dass eine beliebige Anzahl von zwölfteiligen Rahmenstrukturen 12, die sechsteilige Struktureinheiten 7 enthalten, in beliebigen Richtungen kombiniert werden. Zu diesem Zweck hat die Rahmenstruktur ferner Einheiten-Anschlußgelenke 15, um jedes zweite Ende der Stäbe 1 von angrenzenden Struktureinheiten 7 und jedes erste Ende von einem Paar von Verbindungsstäben 10 oder jedes zweite Ende der Stäbe 1 von drei benachbarten Struktureinheiten 7 und jedes erste Ende von 3 Verbindungsstäben 10, die mit den Struktureinheiten vorgesehen sind, drehbar zu lagern. Somit werden mehrere Struktureinheiten 7 miteinander über die Einheiten-Anschlußgelenke 15 verbunden.

Bezugnehmend auf 16 hat das Einheiten-Anschlußgelenk 15 Aufnahmeteile 15a in Umfangsrichtung unter einem Intervall von 60°, und es hat somit eine ähnliche Struktur wie das Zentralgelenk 8.

Durch Verwendung des Einheiten-Anschlußgelenks 15 können eine beliebige Anzahl von Rahmenstrukturen, die die Struktureinheiten 7 und die Verbindungsstäbe 10 enthalten, wie in 6 gezeigt ist, kombiniert werden, um eine Rahmenstruktur zu bilden, wie in 14 gezeigt ist. 14 zeigt eine Struktur die unter Verwendung von sieben Struktureinheiten 7 aufgebaut ist. 15 ist eine Draufsicht, die diese Struktur in einem entfalteten Zustand, nämlich als zweidimensionale Struktur, zeigt. 17 ist eine perspektivische Darstellung, die einen gefalteten Zustand der Rahmenstruktur zeigt. 18 ist eine Endansicht, die einen gefalteten Zustand, wie er in 17 gezeigt ist, mit Blickrichtung von einem Ende der Struktur her zeigt. 19 ist eine perspektivische Darstellung des entfalteten Zustands, der in 15 gezeigt ist.

Bezugnehmend auf die 20 bis 23 wird ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert. Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Rahmenstruktur, die ein Membranelement hat. Diese Struktur wird dadurch erhalten, dass ein Membranelement, wie es in 10 gezeigt ist, zu der Rahmenstruktur, die in 14 gezeigt ist, hinzugefügt wird, die eine Struktur hat, die durch Kombination einer Vielzahl der Struktur erhalten wird, die in 6 gezeigt ist, in der die Verbindungsstäbe zu der Struktureinheit hinzugefügt sind. 20 zeigt dieses Ausführungsbeispiel in einem gefalteten Zustand, der dem in 17 gezeigten entspricht. Das Membranelement dieses Ausführungsbeispiel enthält ein erstes Membranelement 13 und ein zweites Membranelement 14, wie in 10 oder 12 gezeigt ist. 21 zeigt dieses Ausführungsbeispiel in einem gebeugten Zustand ähnlich zu denen, die in den 6, 10 und 12 gezeigt sind. Der gebeugte Zustand, der in 22 gezeigt ist, wird durch Vergrößern des Beugewinkels &bgr; in dem gebeugten Zustand erhalten, wie in 21 gezeigt ist. 23 zeigt dieses Ausführungsbeispiel in einem entfalteten Zustand entsprechend zu denen, die in den 5, 9, 12, 15 und 19 gezeigt sind.

Bezugnehmend auf 24 wird noch ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird durch Kombinieren von einem Paar von Strukturen in dem gebeugten Zustand, die die Struktureinheit 7 enthalten, von Verbindungsstäben 10 und Membranelementen 13, 14, die daran befestigt sind, erhalten, wie in 10 gezeigt ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbare Gelenke 16 verwendet, um den Anschlußwinkel an einem Paar der Verbindungsteile zwischen zwei Struktureinheiten 7 einzustellen. 25 ist eine perspektivische Darstellung, die das in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbare Gelenk 16 im Einsatz zeigt. Dieses in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbare Gelenk 16 ist das gleiche wie das Zentralgelenk 8 in 3 und das Spitzengelenk 11 in 7, indem es eine Drehachse 12 zur drehbaren Lagerung der Enden der Stäbe 1, 11 hat. Andererseits unterscheidet sich das in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbare Gelenk 16 von dem Zentralgelenk 8 in 3 oder dem Spitzengelenk 11 in 7 dadurch, dass Aufnahmeteile 16a, 16a zum Aufnehmen der Enden der Stäbe an dem Verbindungsteil zwischen der ersten Rahmenstruktur 17, die eine Struktureinheit 7 und Verbindungsstäbe 10 hat, und einer zweiten Rahmenstruktur 18, die eine Struktureinheit 7 und Verbindungsstäbe 10 hat, nicht in derselben Ebene enthalten sind, sondern unter einem beliebigen Winkel festzulegen sind. In anderen Worten kann über den Anschlußwinkel &ggr; zwischen zwei Rahmenstrukturen (ein Winkel zwischen den zu verbindenden Rahmenstrukturen 17, 18) willkürlich entschieden werden.

Bezugnehmend auf die 26 bis 29 wird noch ein anderes Ausführungsbeispiel unter Verwendung des in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbaren Gelenks 16 gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist eine Rahmenstruktur, die durch Verbinden der Rahmenstruktur, die in dem gebeugten Zustand von 10, dem gefalteten Zustand von 11 und dem entfalteten Zustand von 12 sein kann, in einer Ringform erhalten wird.

26 zeigt einen gebeugten Zustand entsprechend dem in 10 gezeigten.

27 zeigt einen entfalteten Zustand entsprechend zu dem in 12 gezeigten.

Zusätzlich zeigt 28 einen gefalteten Zustand der Rahmenstruktur dieses Ausführungsbeispiels. Der gefaltete Zustand wird durch Falten des Stabmittelpunksgelenks und des Zentralgelenks von jedem der Stäbe erhalten. In diesem Zusammenhang erstreckt sich, da das in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbare Gelenk 16 zum Verbinden von fünf Rahmenstrukturen, die als Element dieser Struktur enthalten sind, verwendet wird, jede der Elementstrukturen in der Richtung senkrecht zu dem Aufnahmeteil des in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbaren Gelenks.

Da das in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbare Gelenk 16 in diesem Ausführungsbeispiel den Anschlußwinkel willkürlich einstellen kann, kann es die Struktur entfalten, wie es das Zentralgelenk 8 oder das Spitzengelenk 11 tun kann, so dass an den Enden der Stäbe vorgesehene Teile in derselben Ebene enthalten sind. Wenn die Struktur vollständig entfaltet ist, indem der Anschlußwinkel &ggr; auf 180° eingestellt wird, bilden fünf Rahmenstrukturen, die in der Struktur enthalten sind, einen gefalteten Zustand, so dass sie sich parallel zueinander erstrecken, wie in 29 gezeigt ist. Auf diese Weise wird es leichter, die Struktur einzubinden.

In diesem Zusammenhang kann durch Festlegen des Anschlußwinkels &ggr; auf eine Konstante das in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbare Gelenk auch als Zentralgelenk, Spitzengelenk oder Verbindungsgelenk verwendet werden. Durch Verwendung desselben Gelenks für alle drei dieser Zwecke wird es möglich, die Anzahl der Teile zu reduzieren.

In dem in den 26 bis 28 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Anschlußwinkel &ggr; = 138.19°. Die angeschlossene Struktur dieses Ausführungsbeispiel bildet einen Teil einer kugelförmigen oder scheibenförmigen Struktur.

Bezugnehmend auf 30 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das einen Mechanismus enthält, um den Zustand der Rahmenstruktur, die in 10 gezeigt ist, wahlweise auf einen entfalteten, gebeugten oder gefalteten Zustand einzustellen.

In dieser Struktur wird ein Draht 19 zwischen den Spitzengelenken 11 und zwischen jedem der Spitzengelenke und dem Zentralgelenk 8 bespannt, so dass der Abstand zwischen den Gelenken durch Aufwickeln oder Abwickeln des Drahtes eingestellt werden kann. Insbesondere werden Gelenke mit Einstellmechanismen 20, 21, die einen Mechanismus zum Steuern der Wickellänge des Drahtes 19 haben und als Spitzengelenk oder Zentralgelenk dienen, an jeder der entsprechenden Positionen vorgesehen. Diese Gelenke haben einen Antriebsmechanismus zum Aufwickeln und Abwickeln des Drahtes. Durch Steuerung des Antriebsmechanismus wird die Länge des Drahtes zwischen den Gelenken eingestellt, so dass die Abstände zwischen den Ritzen der Stäbe immer zueinander identisch sind. Auf diese Weise werden die entfalteten, gebeugten und gefalteten Zustände der Rahmenstruktur frei einfach dadurch gesteuert, dass die Länge des Drahtes eingestellt wird. Bei einer Rahmenstruktur, die erhalten wird, in dem eine Vielzahl der Rahmenstrukturen, die in 30 gezeigt sind, miteinander verbunden werden, werden die entfalteten, gebeugten und gefalteten Zustände dieser Rahmenstruktur willkürlich durch Einstellen der Länge des Drahtes synchron für alle die Rahmenstrukturen leicht gesteuert, die die Struktureinheit und die Verbindungsstäbe enthalten. Durch Einstellen der zwölf Drähte, die zwischen den Gelenken aufgespannt sind, wie in 30 gezeigt ist, auf dieselbe Länge sind die Spitzen der zwölf Stäbe in derselben Ebene angeordnet. Eine Rahmenstruktur, die durch Verbindung einer Vielzahl der Rahmenstruktur, die in 30 gezeigt ist, erhalten wird, kann als solches durch Vorsehen von Gelenken mit einem Einstellmechanismus zur Steuerung des Drahtes als Einheiten-Anschlußgelenke und in Bezug auf den Anschlußwinkel einstellbare Gelenke an jeder entsprechenden Position angetrieben und gesteuert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Konstruktionsarbeit auf der Umlaufbahn nicht mehr erforderlich. Somit kann eine im wesentlichen automatisierte Konstruktion für eine große Weltraumstruktur auf der Umlaufbahn erreicht werden.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, da die Rahmenstruktur der vorliegenden Erfindung eine kompakte Form in ihrem gefalteten Zustand hat, erheblich leichter, die Rahmenstruktur in den Weltraum zu transportieren. Da die Struktur der vorliegenden Erfindung, die eine sechsteilige Struktureinheit enthält, einen näherungsweise kreisförmigen, sechseckigen Querschnitt in dem zusammengefalteten Zustand hat, kann sie insbesondere leicht in einer Trägerrakete untergebracht werden, die einen kreisförmigen Querschnitt hat. Da die Struktur, die durch Verbinden einer Vielzahl der Struktureinheiten erhalten wird, eine Form von kombinierten Sechsecken hat, kann sie ferner auch leicht in einer Trägerrakete aufgenommen werden.

Die Struktur der vorliegenden Erfindung hat einen Durchmesser von 20-40 Meter, was von einer Rakete der Klasse H-2 transportiert werden kann. Der Durchmesser einer angeschlossenen Struktur, die daraus erhalten wird, ist 50-100 Meter. Als Resultat kann solch eine Struktur durch einen einzigen Raketenabschuß transportiert werden, und eine große Raumfahrtstruktur kann durch einen solchen einzigen Transportvorgang aufgebaut werden.

Nach einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird der Stellmechanismus oder Antriebsmechanismus für die Struktur dadurch vereinfacht, dass die Aktion von allen darin vorgesehen Stäben synchronisiert wird. Wie oben beschrieben wurde, hat die Struktur der vorliegenden Erfindung eine Menge Vorteile, die von dem Stand der Technik nicht erreicht werden können. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, einen Reflektor für eine große Antenne im Weltraum zu bilden, indem die Rahmenstruktur, die die Struktureinheiten und die Membranelemente ordnungsgemäß enthält, aufgebaut wird.

Zusätzlich ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine große Sonnenbatterieplatte zu bilden, indem eine Sonnenbatteriemembran daran befestigt wird. Ferner ermöglicht es die vorliegende Erfindung, ein großes Raumschiff dadurch herzustellen, dass eine Bus-Ausrüstung für ein Raumschiff auf der Struktur der vorliegenden Erfindung montiert wird.


Anspruch[de]
  1. Rahmenstruktur, die eine Struktureinheit (7) hat, welche sechs ausgestreckte Stäbe (1) enthält, wobei jeder Stab erste und zweite Enden hat, und die Struktureinheit (7) imstande ist, wenigstens einen entfalteten Zustand, in dem die sechs Stäbe (1) im Wesentlichen in einer Ebene enthalten sind, und einem gefalteten Zustand, in dem die sechs Stäbe (1) sich im Wesentlichen parallel zueinander erstrecken, zu haben, wobei die Rahmenstruktur umfasst:

    Stabmittelpunktsgelenke (4), die in jedem der Stäbe (1) ausgebildet sind, um die Stäbe der Struktureinheit (7) ungefähr an den Mittelpunkten der Stäbe faltbar zu halten;

    ein Zentralgelenk (8), um die Stäbe der Struktureinheit an den ersten Enden von jedem der Stäbe in einer Ebene, die senkrecht auf der Ebene des entfalteten Zustands steht, drehbar zu lagern;

    wobei die sechs Stäbe (1) der Struktureinheit (7) in dem entfalteten Zustand so positioniert sind, dass sich die Stäbe radial im Wesentlichen in einer Ebene von dem Zentralgelenk (8) aus erstrecken, so dass eine Linie, welche die zweiten Enden der sechs Stäbe (1) der Struktureinheit verbindet, im Wesentlichen ein gleichseitiges Sechseck bildet;

    wobei die sechs Stäbe (1) der Struktureinheit (7) an dem ersten Ende durch das Zentralgelenk (8) im gefalteten Zustand gebunden sind und durch das Zentralgelenk (8) so faltbar sind, dass sich die sechs Stäbe parallel zueinander erstrecken;

    ausgestreckte Verbindungsstäbe (10), die in ihrem gebeugten Zustand so angeordnet sind, dass sie die zweiten Enden benachbarter Stäbe (1) der Struktureinheit (7) miteinander verbinden; und

    Spitzengelenke (11), um das zweite Ende des Stabes (1) der Struktureinheit (7) mit einem Paar der Enden der Verbindungsstäbe (10) zu verbinden, die an beiden Seiten des zweiten Endes lokalisiert sind,

    charakterisiert durch

    ein erstes Membranelement (13), welches in einer Ebene ausgebreitet ist, die von nebeneinander liegenden Teilen (2) der ersten Stäbe, die Teile jener Stäbe (1) der Struktureinheit (7) sind, von dem Zentralgelenk (8) zu den Stabmittelpunktsgelenken (4) gebildet wird; und

    ein zweites Membranelement (14), welches in einer Ebene ausgebreitet ist, die von benachbarten zweiten Stabteilen (3) gebildet wird, die Teile der Stäbe (1) der Struktureinheit (7) von den Stabmittelpunktsgelenken (4) zu den zweiten Enden sind;

    derart, dass die ersten und die zweiten Membranelemente (13, 14) im entfalteten Zustand eine Membranstruktur aus gleichseitigen Sechsecken bilden, deren Mittelpunkt in einer Ebene das Zentralgelenk (8) ist, und die im gefalteten Zustand durch ein Zusammenwirken mit den Stäben (1) und den Verbindungsstäben (10) der Struktureinheit (7) eingebunden sind.
  2. Rahmenstruktur gemäß Anspruch 1, worin jeder der Stäbe (1) der Struktureinheit (7) einen gebeugten Zustand hat, der &bgr; = 2 × (90° – &agr;) erfüllt,

    wobei &agr; ein Anschlußwinkel zwischen dem Stab (1) der Struktureinheit und dem Zentralgelenk (8) an dem ersten Ende ist, und &bgr; ein Beugewinkel des Stabes (1) in seinem gebeugten Zustand an dem Stabmittelpunktsgelenk (4) zwischen dem entfalteten und dem gefalteten Zustand ist.
  3. Rahmenstruktur gemäß Anspruch 1 oder 2,

    worin die Rahmenstruktur eine Vielzahl der Struktureinheiten (7) umfasst, und die Rahmenstruktur weiterhin umfasst:

    Einheiten-Anschlußgelenke (15), um jedes zweite Ende der Stäbe (1) benachbarter Struktureinheiten (7) und jeweils ein Ende eines Paares der Verbindungsstäbe (10), oder jedes zweite Ende der Stäbe (1) von drei benachbarten Struktureinheiten und jeweils ein Ende von drei Verbindungsstäben (10), die zu der Struktureinheit gehören, drehbar zu lagern; und

    wobei die Einheiten-Anschlußgelenke (15) eine Vielzahl der Struktureinheiten (7) verbinden.
  4. Rahmenstruktur gemäß Anspruch 1, weiterhin umfassend:

    ein Verbindungselement (19), um das Spitzengelenk (11) und das Zentralgelenk (8) zu verbinden; und

    Mittel zur Winkeleinstellung (20, 21), um einen Beugewinkel der Struktureinheit (7) und der Verbindungsstäbe (10) auf einen vorbestimmten Winkel einzustellen, indem das Verbindungselement (19) so gesteuert wird, dass es einen Abstand zwischen dem Spitzengelenk (11) und dem Zentralgelenk (8) einstellt.
  5. Rahmenstruktur gemäß Anspruch 4, wobei der Abstand zwischen dem Spitzengelenk (11) und dem Zentralgelenk (8) innerhalb einer Ebene eingestellt wird.
  6. Rahmenstruktur gemäß Anspruch 3, weiterhin umfassend:

    ein Verbindungselement (19), um die Spitzengelenke (11) und das Einheiten-Anschlußgelenk (8) zu verbinden; und

    Mittel (20, 21) um einen Anschlußwinkel oder einen Beugewinkel der Struktureinheit (7) und der Verbindungsstäbe (10) auf einen vorgegebenen Winkel einzustellen, indem das Verbindungselement (19) so gesteuert wird, dass es einen Abstand zwischen dem Spitzengelenk (11) und dem Einheiten-Anschlußgelenk (8) einstellt.
  7. Rahmenstruktur gemäß Anspruch 6, wobei der Abstand zwischen dem Spitzengelenk (11) und dem Einheiten-Anschlußgelenk (8) innerhalb einer Ebene eingestellt wird.
Es folgen 30 Blatt Zeichnungen






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