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DE19718671C1 - Gelenk für Anwendungen in der Raumfahrt - Google Patents

Gelenk für Anwendungen in der Raumfahrt

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DE19718671C1
DE19718671C1 DE19718671A DE19718671A DE19718671C1 DE 19718671 C1 DE19718671 C1 DE 19718671C1 DE 19718671 A DE19718671 A DE 19718671A DE 19718671 A DE19718671 A DE 19718671A DE 19718671 C1 DE19718671 C1 DE 19718671C1
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Description

Die Erfindung betrifft ein Gelenk für Anwendungen in der Raumfahrt, beste­ hend aus einem Streifen eines ausgehärteten Faserverbundwerkstoffs, der aus zwei miteinander verbundenen faserverstärkten Materialien besteht.
In der IPC sind Gelenke für einen Auslegerarm eines Satelliten in B 64 G, 1/44 (z. B. DE 195 23 236 C1) und in B 64 G, 1/64 sowie B 64 G, 1/66 (z. B. EP 0 751 066 A1) klassifiziert. Andere bekannte Gelenke für die Raumfahrt bestehen in der Regel aus:
  • - zwei metallischen Frästeilen mit komplexer Geometrie zur Befestigung an den drehbar zu verbindenden Bauteilen sowie zur Aufnahme der Kugellager
  • - zwei Schrägkugellagern
  • - der geschliffenen Welle mit zwei Aufnahmegewinden
  • - mehreren Deckscheiben und Spannscheiben
  • - zwei Spannschrauben
  • - einer aufwendigen Thermalisolation, die die Drehbewegung mit­ machen muss, ohne diese zu behindern.
Die Realisierung solcher Gelenke ist technisch aufwendig und verursacht sehr hohe Kosten.
In EP 0 754 625 A1 ist in Fig. 10 bis 12 und der Beschreibung Spalte 8 letzter Absatz und Spalte 9 erster Absatz eine Vorichtung zum Ausklappen einer So­ laranordnung dargestellt, die aus flexiblen Streifen besteht. Zur Verwendung des Materials für die flexiblen Streifen ist der Druckschrift keine gnauere An­ gabe zu entnehmen. Verbindungen dieser Art haben keine eindeutige Dre­ hachse und können schon deshalb die oben beschriebenen Gelenke hin­ sichtlich Kinematik und Kraftübertragung nicht ersetzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einigen Anwendungen für Gelenke beim Einsatz in der Raumfahrt wie zum Beispiel zum Ausklappen eines Solargene­ rators, dem Ausklappen von Reflektoren und flachen Antennen sowie für das Entfalten grosser Antennenschalen, eine technisch wesentlich einfachere Art der Lagerung vorzusehen, wobei die Rotation nur über einen begrenzten Win­ kelbereich erfolgt und die Anzahl der Drehvorgänge während der Lebensdau­ er gering ist. Bei vielen Raumfahrtanwendungen findet der Ausklappvorgang im Orbit nur einmal statt. Im Rahmen der Qualifikation fallen typischerweise zwischen 10 und 300 Klappvorgänge an.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch den Gegenstand des Haupt­ anspruchs gelöst. Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der Einsatz des erfindungsgemässen Faserverbundgelenks für die oben an­ gegebenen Aufgabe bietet folgende Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen Gelenklagern:
  • - Die Gelenklagerung wird wesentlich leichter und beansprucht weniger Platz. Das reine Gelenkband wiegt je nach Ausführung nur etwa 1-100 g/m. Hinzu kommen gegebenenfalls Anschlagleisten mit Justier­ möglichkeiten für die Befestigung und die Ausrichtung, so dass eine Masse von weniger als 1 kg für das Faserverbundgelenk eines Aus­ klappreflektors erreichbar ist.
  • - Eine Thermalisolation, die für übliche Drehgelenke wegen der möglichst reibungsfreien Schwenkung vergleichsweise aufwendig und schwer ist, ist für das Faserverbundgelenk nicht erforderlich.
  • - Durch den Wegfall von üblichen Lagern sowie den möglichen Verzicht auf die mitzubewegende Thermalisolation erhöht sich die Zuverlässig­ keit. Dies ist ein sehr wichtiges Argument insbesondere für Raumfahrt­ anwendungen, da eine Fehlfunktion beim Ausklappen häufig das Ende der Mission bedeutet.
  • - Das Faserverbundgelenk erfordert einen erheblich geringeren Aufwand und reduziert die Kosten für Entwurf, Dokumentation und Fertigung.
  • - Das Faserverbundgelenk stellt keinen Mechanismus im klassischen Sinne dar und ist somit nicht den hohen Qualifikationsanforderungen eines herkömmlichen Gelenks zu unterwerfen. Dies reduziert den Auf­ wand für die Verifikation.
  • - Das Faserverbundgelenk umgeht die Problematik der "unzuverlässigen" Reibung weitgehend und kommt daher mit geringerem Drehmomenten­ überschuss beim Antrieb aus. Insbesondere wird erwartet, dass seine Eigenschaften nur unwesentlich von der Temperatur abhängen.
  • - Die Funktion ist über einen grossen Temperaturbereich - insbesondere auch im kalten Fall - gewährleistet.
  • - Das Gelenk kann aus thermoelastisch stabilen Werkstoffen hergestellt werden, was den Einsatz in Verbindung mit den vielfach verwendeten Kohlefaserverbundstrukturen erleichtert.
Gegenüber dem zum Stand der Technik gehörenden flexiblen Streifen von EP 0 754 625 A1 unterscheidet sich der Erfindungsgegenstand wie folgt:
  • - Die Drehachse des Faserberbundgelenks ist durch die Trennfuge im Laminat eindeutig definiert.
  • - Das Faserverbundgelenk weist ein annähernd drehwinkelunabhängiges Drehmoment auf.
  • - Das Faserverbundgelenk hat eine hohe radiale Steifigkeit sowie eine hohe Steifigkeit in Drehachsrichtung.
  • - Das Faserverbundgelenk kann in beliebiger radialer Richtung sowie in Drehachsrichtung Kräfte übertragen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Gelenk aus Faserverbundwerkstoff mit einer V-förmig gestalteten Trennfuge,
Fig. 2 ein Gelenk aus Faserverbundwerkstoff mit einer U-förmigen Trennfuge,
Fig. 3 ein Gelenk aus Faserverbundwerkstoff mit einer rechteck­ förmigen Trennfuge,
Fig. 4 den Schwenkbereich eines Faserverbundgelenks,
Fig. 5 und 6 ein Beispiel für die Fertigung eines erfindungsgemässen Faserverbundgelenks,
Fig. 7 und 8 ein Faserverbundgelenk an einem Antennenreflektor,
Fig. 9 den Ausfaltvorgang einer SAR-Antenne,
Fig. 10 bis 11 einen Faltreflektor mit Faserverbundgelenken in gestauter und entfalteter Konfiguration.
Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils einen Streifen 2 eines ausgehärteten Faserver­ bundwerkstoffs, der aus zwei miteinander verbundenen Faserverbundwerk­ stoffen 4, 6 besteht. Jeweils eines der Materialien 4, 6 weist eine geradlinig verlaufende Trennfuge 8 auf. Das andere Material kann im Bereich der Trenn­ fuge 8 geknickt werden.
In Fig. 1 ist die Trennfuge 8 eine V-förmig gestaltete Nut 10. In Fig. 2 ist die Trennfuge eine U-förmig gestaltete Nut 12. In Fig. 3 ist die Trennfuge eine rechteckförmige Nut 14. Die Materialien 4, 6 können beispielsweise aramid­ faserverstärkter Kunststoff und CFK sein; die Trennfuge 8 befindet sich im CFK-Material. Anstelle der Aramidfaser kann Fasermaterial (z. B. aus Polyethy­ len, Polyamid oder Polyester) mit hoher Bruchdehnung Verwendung finden. Anstelle von CFK ist anderes Fasermaterial (z. B. Glasfasern, Keramikfasern, Borfasern) verwendbar.
Fig. 4 zeigt den typischen Schwenkbereich eines erfindungsgemässen Faser­ verbundgelenks 6.
Das in Fig. 1 gezeigte Faserverbundgelenke wird wie folgt hergestellt:
Schritt 1:
Auf einer prismatischen Vorrichtung wird entsprechend Fig. 5 ein mehrlagiger Aufbau aus Fasergeweben aufgebracht und mit Standardverfahren (Vakuum, evtl. Druck und Temperatur) ausgehärtet. Die Dicke der einzelnen Lagen so­ wie der Lagenaufbau kann dabei an den Einsatzzweck angepasst werden. Die erste Lage besteht dabei vorzugsweise aus Aramid oder ähnlichen Fa­ sern, während die Folgelage(n) aus CFK bestehen.
Schritt 2:
In Fig. 6 wird die Kante durch Abschleifen gebrochen. Man schleift einfach so­ lange, bis unter dem schwarzen CFK-Laminat ein schmaler Streifen der gel­ ben Aramidfaser zum Vorschein kommt. Diese Vorgehens­ weise erlaubt eine sehr gute Kontrolle der Menge des zu entfernenden Materi­ als und stellt den eigentlichen Grund dar, die Fertigung in bereits abgewinkel­ ter Konfiguration zu beginnen.
Schritt 3:
Das Bauteil wird entformt und aufgeknickt, wodurch die in der Aramidlage noch enthaltene Harzmenge entlang des Knicks abplatzt, ohne dass die Fa­ sern brechen. Man erhält so einen Gelenkstreifen mit einem Schwenkbereich.
Der erfindungsgemässe Herstellprozess ist sehr einfach und kostengünstig realisierbar.
Die bisher durchgeführten Funktionstests beschränken sich auf das wieder­ holte unsystematische Knicken der beiden Prototypen von Hand. Eine nach den ersten Lastwechseln zu bemerkende Verringerung des Knickwiderstands ist auf das "Abschütteln" der spröden Epoxidharzreste im Knickbereich zurück­ zuführen. Dabei erhöht sich zunächst das "Spiel" des Gelenks, es nähert sich aber schnell einem stabilen Grenzwert an.
Das verbleibende "Spiel", das sich daraus ergibt, dass der Knick nicht unend­ lich scharf sein kann und somit die Fasern über eine begrenzte Länge gebo­ gen werden, ist allerdings im Gegensatz zum klassischen Lagerspiel von elastischer Natur, so dass unter definierten Lastbedingungen - z. B. für den Fall eines ausgeklappten und verriegelten Reflektors und (simulierter) Schwe­ relosigkeit - eine ausreichend stabile und wiederholbare Drehachslage zu er­ warten ist.
Ein Bruch war bisher auch nach mehreren hundert Schwenkzyklen nicht zu beobachten.
Im folgenden finden sich einige Beispiele für den Einsatz der neuen Gelenk­ technologie bei Raumfahrtanwendungen.
Ausklappbarer Parabolreflektor
Der in Fig. 7 und 8 dargestellte Parabolreflektor mit einem Durchmesser von 1700 mm ist ursprünglich mit zwei mechanischen Gelenken ausgestattet. Die Strukturmasse des Reflektors beträgt einschliesslich aller Mechanismen etwa 14 kg, wovon 5 kg auf die beiden Gelenke einschliesslich Thermalisolation entfallen. Ersetzt man die beiden Gelenke durch einen Streifen des hier be­ schriebenen Faserverbundgelenks 16, so könnten etwa 3 kg eingespart wer­ den. Der nunmehr mögliche Verzicht auf eine Thermalisolation des Gelenks spart zusätzlich etwa 1 kg, so dass insgesamt ca 25% eingespart werden können.
Faltbare Flachantenne
Fig. 9 zeigt den Klappvorgang einer typischen Radarantenne für die raumge­ stützte Erdbeobachtung, wobei die Gesamtlänge von 10 bis 15 m beträgt.
Die Klappachsen bestehen üblicherweise aus metallischen Beschlägen mit redundant arbeitenden Kugellagern. Ein Ersatz durch Faserverbundgelenke ist nicht nur im Hinblick auf die Kostenreduktion und Massenreduktion interes­ sant. Der geringe Platzbedarf des hier vorgestellten Gelenks wäre zusätzlich zur Verminderung des Stauvolumens nutzbar.
Faltbarer Parabolreflektor
Der in Fig. 10 und 11 dargestellte Entwurf eines grossen Faltreflektors wird mit der Faserverbundgelenktechnologie erst möglich. Der Einsatz solcher Reflektoren ist sowohl für die Kommunikation als auch für den Einsatz als Konzentrator für die solarthermische Stromerzeugung interessant.

Claims (5)

1. Gelenk für Anwendungen in der Raumfahrt, bestehend aus einem Streifen eines ausgehärteten Faserverbundwerkstoffs, der aus zwei miteinander verbundenen faserverstärkten Materialien besteht, da­ durch gekennzeichnet, dass eines der Materialien (4, 6) eine ge­ radlinig verlaufende Trennfuge (8) aufweist, und das andere Material im Bereich der Trennfuge (8) geknickt wird.
2. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge eine V-förmig gestaltete Nut (10) ist.
3. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge eine U-förmig gestaltete Nut (12) ist.
4. Gelenk nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennfuge eine rechteckförmige Nut (14) ist.
5. Gelenk nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mit einer Trennfuge (8) versehene Material aus CFK (oder Glas­ fasern oder Keramikfasern oder Borfasern) besteht und das andere Material aus Aramidfasern (oder aus Polyethylen oder Polyamid oder Polyester) besteht.
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