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Dokumentenidentifikation DE102005024990B3 16.11.2006
Titel Gelenkmechanismus zum Ausklappen eines Auslegers an Weltraumfahrzeugen
Anmelder Space Tech GmbH, 88090 Immenstaad, DE
Erfinder Gilles, Frank, 88048 Friedrichshafen, DE;
Doll, Frederik, 88090 Immenstaad, DE
DE-Anmeldedatum 01.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005024990
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 16.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse B64G 1/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Gelenkmechanismen zum Ausklappen von Auslegern an Weltraumfahrzeugen werden benötigt, um Antennen oder Sensoren in geeigneter Weise operieren zu können (Masse bis 25 kg, Ausklappwinkel bis 180°, Ausrichtgenauigkeit besser 0,1°).
Die Mechanismen müssen für die Weltraumanwendung widerstandsfähig gegen Vibrationslasten sein, funktionsfähig unter Vakuum und extremen Temperaturen (-140°C bis +100°C) sein sowie Fehlertoleranz besitzen.
Der Gelenkmechanismus ist gekennzeichnet durch eine Implementierung einer Zwischengelenkplatte (ZP) zwischen Auslegerarm (A, in Aufnahmehalterung AH) und Hauptkörper des Weltraumfahrzeugs (Befestigungsrahmen, BR) mit einem Scharniergelenk zum Ausleger (Primärgelenk, PG) und einem Scharniergelenk zum Hauptkörper (Sekundärgelenk, SG).
Der Antrieb des Mechanismus besteht aus Spiralzugfedern (F), die über eine Umlenkrolle (UR) am Primärgelenk im eingeklappten Zustand vorgespannt sind. Beim Ausklappvorgang schwingt der Auslegerarm erst um das Primärgelenk und über die vorgesehene Endposition hinaus um das Sekundärgelenk und pendelt mehrfach um die Endposition, wodurch die kinetische Energie langsam abgebaut wird.
Die Endposition ist durch drei Anschläge (P1, P2, P3) exakt definiert. Die Position wird durch die verbleibende Vorspannung der Zugfeder gehalten.
Vorteile der Erfindung:
- Robustheit
- redundanter Antrieb durch mehrere Zugfedern
- niedrige Schocklasten
- hohes Ausklappmoment
- hohe variabel einstellbare Haltekraft im ...

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Gelenkmechanismus zum Ausklappen von Auslegern an Weltraumfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Einsatzbereich

Zur Ausrüstung von Weltraumfahrzeugen gehören im Allgemeinen Antennen und Messsensoren, die zum Teil außerhalb des Hauptkörpers des Weltraumfahrzeugs operiert werden müssen. Antennen müssen eine Position haben, die ihnen ein freies Gesichtsfeld ermöglicht. Sensoren benötigen einen Mindestabstand zu den anderen Elementen des Fahrzeugs, damit ihre Funktion nicht in unakzeptabler Weise gestört wird. Um die gewünschte Position außerhalb des Hauptkörpers des Raumfahrzeugs einnehmen zu können, werden die Antennen oder Sensoren häufig am Ende von Auslegerarmen angebracht. Diese Ausleger können meist erst nach dem Erreichen des Weltraums ausgeklappt werden, da zum einen die räumlichen Gegebenheiten in dem Transportfahrzeug ein Herausragen aus dem Hauptkörper nicht zulassen, zum anderen die mechanischen Beschleunigungen während der Start- und Flugphase der Transportrakete starke Haltekräfte und eine Befestigung nahe dem Hauptkörper des Raumfahrzeugs erforderlich machen.

Zusammenfassend hat der Gelenkmechanismus folgende Funktionen zu erfüllen:

  • 1. Sichere Verankerung während der Start- und Flugphase der Transportrakete
  • 2. Sicheres Ausklappen unter extremen Umweltbedingungen (Temperatur, Vakuum, Querbeschleunigungen), ausgelöst über die Satellitentelemetrie.
  • 3. Sicheres, präzises und spielfreies Halten der ausgeklappten Position unter Weltraumbedingungen

Typische Anforderungen

Der Gelenkmechanismus soll in der Lage sein, einen Auslegerarm von bis zu 5 Metern Länge und 25 Kilogramm Gesamtmasse über einen Winkel von bis zu 180 Grad auszuklappen. Die geforderte Ausrichtgenauigkeit im ausgeklappten Zustand beträgt typischerweise < 0.1 Grad in allen Achsen.

Umweltbedingungen

Mechanismen zum Ausklappen von Auslegern an Weltraumfahrzeugen unterliegen besonderen Randbedingungen, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden müssen, um sowohl die volle Leistungsfähigkeit zu gewährleisten, als auch Fehlfunktionen oder Ausfall zu vermeiden:

  • • Im eingeklappten Zustand treten hohe Vibrationslasten auf, verursacht durch den Start der Rakete, welche der Mechanismus ohne Schädigung ertragen muss. An den montierten Geräten dürfen keine starken Lastüberhöhungen auftreten. Dies wird üblicherweise durch Vermeidung kritischer Resonanzen mit dem Satelliten und der Rakete erreicht.
  • • Mechanische Schocks können sensible Instrumente und Untersysteme des Weltraumfahrzeugs zerstören. Das Lösen der Arretierung der eingeklappten Konfiguration, das Erreichen der Endposition, sowie jegliche Vorrichtung zum definierten Halten in der Endposition sollen daher nur geringe Schocks hervorrufen. Entriegelungsschocks lassen sich durch geeignete Position und Auslegung der Vorrichtung limitieren. Mögliche Schocks beim Einnehmen der Endposition müssen ausreichend gedämpft oder durch geschicktes Design vermieden werden.
  • • Lagerspiel im ausgeklappten Zustand kann das Lageregelungssystem eines Weltraumfahrzeuges erheblich beeinträchtigen. Es muss daher ein Design gewählt werden, dass dies durch Vorspannung verhindert.
  • • Der Vorgang des Ausklappens findet unter Vakuumbedingungen statt, wodurch verstärkte Gefahr bezüglich Fressen und Kaltverschweißen besteht. Dies wird durch geeignete Oberflächenauswahl und Lagertoleranz vermieden.
  • • Die Temperaturen beim Ausklappen können üblicherweise in einem großen Bereich liegen, etwa zwischen –140°C und +100°C. Die passiven Elemente des Gelenks dürfen sich über den gesamten Temperaturbereich nicht in einer Weise verformen, die die Funktion beeinträchtigt. Der Antrieb muss die Funktion über den gesamten Temperaturbereich gewährleisten. Die Lager dürfen nicht klemmen.
  • • Bei vielen Anwendungen findet das Ausklappen der Ausleger zum frühestmöglichen Zeitpunkt statt, da entweder die Funktion der Antenne / des Sensors benötigt wird oder der eingeklappte Auslegerarm wichtige Elemente des Weltraumfahrzeugs verdeckt. Ebenfalls ist das Lageregelungssystem immer auf die Konfiguration mit ausgeklapptem Ausleger abgestimmt. Ein Ausklappen unter erhöhten Rotationsraten und Querbeschleunigungen muss daher angenommen werden.
  • • Bei Raumfahrzeugen besteht keine Möglichkeit, einen fehlgeschlagenen Ausklappvorgang durch manuellen Eingriff oder Reparatur zu retten. Der Antrieb zum Ausklappen muss daher sehr robust sein, ausreichende Sicherheiten besitzen und frei von Fehlerquellen sein, deren Eintritt zu einem Totalversagen der Funktion führen würde.

Die bekannten existierenden Ausklappmechanismen für Raumfahrtanwendungen haben in der Regel Lager, die den Ausklappvorgang führen und Reibungswiderstände aufweisen. Meist existiert eine Vorrichtung, die den Ausleger in der ausgeklappten Konfiguration durch Formschluss einrasten lässt.

Zur Überwindung der Reibungswiderstände müssen erhebliche Antriebsmomente aufgebracht werden, die durch Sicherheitsfaktoren in der Auslegung zu hohen Kräften und bei einem Einrastvorgang in die Endposition zu erheblichen Schocks führen. Ein Dämpfen dieser Einrastschocks erfordert eine aufwändige Technik.

Es sind Mechanismen bekannt, die ein Überschwingen zulassen, und dadurch hohe Schocks vermeiden. Diese haben aber üblicherweise nur sehr geringe Haltekräfte im ausgeklappten Zustand.

Es ist ein Gelenkmechanismus bekannt (EP 0 751 066 A1), der durch Abrollen auf geformten Führungselementen geringe Reibungswiderstände während des Ausklappvorgangs aufweist. Das Ausklappmoment wird durch die Vorspannung einer gebogenen Spiralfeder erzeugt. Schocks werden durch Überschwingen vermieden. Die ausgeklappte Konfiguration wird durch die verbleibende Zugspannung der Spiralfeder gehalten, die aber sehr begrenzt ist, da sie nicht unabhängig vom Ausklappmoment eingestellt werden kann, und auch weil die Spiralzugfeder eine innere Vorspannung besitzen muss. Dieses Gelenk hat zudem den Nachteil, dass es keine seitliche Führung aufweist und deshalb nur dann zuverlässige Ausklappvorgänge zulässt, wenn das Fahrzeug keine oder nur sehr kleine Rotationsgeschwindigkeiten und Querbeschleunigungen hat.

Die Aufgabe der Erfindung ist ein Gelenkmechanismus, der über ein hohes Ausklappmoment verfügt, ein schockarmes Ausklappen unter Querbeschleunigung ermöglicht und ein genaues Positionieren im ausgeklappten Zustand ermöglicht.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die in dieser Patentschrift beschriebene Erfindung vereinigt die Vorteile eines schockarmen Ausklappvorgangs mit einem hohen Ausklappmoment und einer hohen, variabel einstellbaren Haltekraft im ausgeklappten Zustand, die ein Einrasten mittels Formschluss unnötig macht. Im Vergleich zum o.g. Gelenkmechanismus wird dabei keine innere Vorspannung der Spiralzugfeder benötigt, da die Feder über Umlenkrollen geführt wird. Durch seitliche Führung ist ein Ausklappen auch bei höheren Drehraten möglich. Der Gelenkmechanismus hat weiterhin die Vorteile einer sehr geringen Masse, einer Redundanz im Antriebssystem und der Funktion über einen großen Temperaturbereich. Er besteht desweiteren aus einer geringen Anzahl von Einzelteilen und ist daher kostengünstig herstellbar und einfach zu montieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen (Bild 1–3) näher erläutert.

Der erfindungsgemäße Gelenkmechanismus umfasst folgende Elemente und Merkmale:

  • • Ein Befestigungsrahmen (BR) auf der Seite des Raumfahrzeugs
  • • Eine Aufnahmehalterung (AH) für den Auslegerarm (A) auf der Seite des Weltraumfahrzeugs
  • • Eine Zwischengelenkplatte (ZP), die auf einer Seite über ein Gelenk mit der Halterung des Auslegerarms verbunden ist (Primärgelenk, PG), auf der anderen Seite, über ein gleichartiges Gelenk mit dem Besfestigungsrahmen (Sekundärgelenk, SG).
  • • Mehere Spiralzugfedern (F), die an einem Ende im Inneren des Befestigungsrahmens und am anderen Ende im Inneren der Auslegeraufnahme befestigt sind, und durch eine zentrale Ausparung der Zwischengelenkplatte hindurchgehen.
  • • Umlenkrollen (UR) für die Spiralfedern, integriert im Primärgelenk der Zwischengelenkplatte
  • • Statisch bestimmte 3-Punkt-Auflage (P1, P2, P3) im ausgeklappten Zustand. Der Ausleger wird über den verbleibenden Zug der Spiralzugfedern spielfrei angepresst. Dadurch werden negative Einflüsse auf das Lageregelungssystem des Weltraumfahrzeugs verhindert.
  • • Zwei Auflager auf dem Raumfahrzeug, auf denen der Auslegerarm im eingeklappten Zustand aufliegt und mittels eines Klemmmechanismus unter lateraler Vorspannung gehalten wird. Die Entriegelungsschocks werden limitiert durch die Dimensionierung und Positionierung des Entriegelungsmechanismus (typischerweise Sprengbolzen).

Die Funktionsweise des Gelenkmechanismus ist wie folgt:

Im eingeklappten Zustand befindet sich der Gelenkmechanismus in einem beliebigen Winkel von bis zu 180 Grad, der Auslegerarm ruht auf den zwei Auflagern. Die Spiralzugfedern sind über die Umlenkrolle gekrümmt und stehen unter Zugspannung. Beim Start des Ausklappvorgangs wird der Ausleger durch den Entriegelungsmechanismus freigegeben. Durch die Kraft der vorgespannten Zugfedern beginnt der Auslegerarm um das Primärgelenk (PG) zu rotieren. Mit zunehmender Winkeländerung steigt dabei das Antriebsmoment. Wenn der Auslegerarm erstmalig die Endposition erreicht hat, wird die Bewegungsenergie nicht abrupt abgebaut, sondern der Arm schwingt über die Endposition hinaus. Dadurch werden mechanische Schocks vermieden, die zu Schädigungen von empfindlichen Untersystemen und Instrumenten führen können. Beim Überschwingen führt der Ausleger eine Rotation um das Sekundärgelenk (SG) aus. Die vorher in Ruhe befindliche Zwischengelenkplatte (ZP) wird nun mitbewegt. Das Überschwingen endet, sobald die Zugfeder die kinetische Energie aufgenommen hat. Beim Zurückschwingen wird widerum nicht an der Endposition gestoppt, sondern auch hier findet ein Überschwingen statt, wobei die Rotation erneut um das Primärgelenk stattfindet. Durch mehrere Pendelvorgänge wird die kinetische Energie über die Lager- und Kabelreibung langsam abgebaut und der Auslegerarm kommt schließlich in der Endposition zur Ruhe.

Das Ausklappmoment, der Überschwingwinkel und die Haltekraft im ausgeklappten Zustand lassen sich ja nach den Erfordernissen durch Dimensionieren der Federeigenschaften (Federkraft, Federkennlinie) und der Federvorspannung einstellen.

Die Scharniere bestehen aus einer zentralen Achse und haben eine sehr geringe Reibung durch linienbelastende Kraftübertragung, die durch eine genügend hohe Federkraft sicher überwunden werden kann.

Beschreibung einer Implementierungsvariante

Im Folgenden ist ein Gelenkmechanismus dargestellt, der gemäß der Erfindung ausgelegt wurde.

Der Ausleger hat eine Länge von ca. 5 Metern und eine Masse von ca. 20 kg.

Er besteht aus einem runden Rohr aus Kohlefaser-Verbundmaterial und trägt am Ende einen Messsensor. In der eingeklappten Konfiguration liegt der Ausleger auf zwei Auflagern AL1 und AL2. Am Punkt AL2 wird der Ausleger mit einer Vorspannung heruntergezogen, um eine definierte Lage unter den mechanischen Vibrationslasten beim Start der Rakete einzuhalten.

Das notwendige Moment zum Ausklappen des Auslegers wird durch drei nebeneinander angeordnete Spiralzugfedern erreicht.

Beim Öffnen der Haltevorrichtung rotiert der Ausleger um die beiden Gelenke des Mechanismus und nimmt dann die Gleichgewichtslage ein wie in den Bildern 1–4 dargestellt.

Aus der Federkennlinie und der mechanischen Eigenschaften des Auslegers ergibt sich ein maximales Überschwingen über die Endposition von etwa 45 Grad. Unter Schwerelosigkeit dauert der Einschwingvorgang einige Minuten und hängt im Wesentlichen von der Reibung in den Gelenken und der Kabelverbindung ab. In der Endposition beträgt die Zugkraft der Feder noch cirka 60 % des Wertes im eingeklappten Zustand. Damit ergibt sich eine sichere, spielfreie Haltefunktion ohne zusätzliche Verriegelung gegen alle durch die Bewegungen des Raumfahrzeugs erzeugten Kräfte und Momente.

In der Endposition ruht der Auslegerarms auf drei genau definierten Anschlägen P1, P2 und P3. Auf den zwei Punkten P1 und P2 stützt sich der Ausleger über die Zwischenplatte ab, der dritte Punkt P3 befindet sich in direktem Kontakt mit der Aufnahmehalterung des Auslegerarms. Der Ausklappwinkel des Auslegerarms lässt sich durch Einstellen des dritten Anschlagpunkts P3 exakt justieren.


Anspruch[de]
Gelenkmechanismus zum Ausklappen von Auslegern an Weltraumfahrzeugen, aufweisend einen Befestigungsrahmen auf der Seite des Raumfahrzeugs sowie eine Aufnahmehalterung für den Ausleger, wobei sowohl die Ausklappkraft als auch die Haltekraft in der ausgeklappten Endposition durch unter Vorspannung stehende Spiralzugfedern erzielt wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Verbindung zwischen dem Befestigungsrahmen (BR) und der Aufnahmehalterung (AH) eine Zwischenplatte (ZP) angeordnet ist, welche auf einer Seite über ein Scharniergelenk (Primärgelenk PG) mit der Aufnahmehalterung (AH) und auf der anderen Seite über ein gleichartiges Scharniergelenk (Sekundärgelenk SG) mit dem Befestigungsrahmen (BR) verbunden ist, und wobei die Zwischenplatte (ZP) in einer zweiten Ebene parallel auf dem Befestigungsrahmen (BR) liegt. Gelenkmechanismus nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralzugfedern (F) mit ihrem einen Ende im Inneren des Befestigungsrahmens (BR) und mit ihrem anderen Ende im Inneren der Aufnahmehalterung (AH) befestigt sind, und durch eine zentrale Aussparung der Zwischenplatte (ZP) hindurchgehen. Gelenkmechanismus nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralzugfedern (F) zur Erzielung der Zugvorspannung im eingeklappten Zustand über eine Umlenkvorrichtung (UR) am Primärgelenk (PG) geführt sind. Gelenkmechanismus nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausleger über die Aufnahmehalterung im ausgeklappten Zustand auf drei genau definierten Anschlägen (P1, P2, P3) ruht, wobei zwei Anschläge (P1, P2) an der Zwischenplatte (ZP) und ein justierbarer dritter Anschlag (P3) am Befestigungsrahmen (BR) angeordnet sind.






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