DE69720117T2

DE69720117T2 - Entfaltbare Radiatoren für Raumflugkörper

Info

Publication number: DE69720117T2
Application number: DE69720117T
Authority: DE
Inventors: Neil William Dunbar; Philip David Ashwell McGoldrick
Original assignee: Matra Marconi Space UK Ltd
Current assignee: Matra Marconi Space UK Ltd
Priority date: 1996-07-31
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 2004-02-26
Anticipated expiration: 2017-07-18
Also published as: GB9714600D0; GB2315854B; DE69720117D1; GB2315854A; EP0822139A1; GB9616016D0; EP0822139B1; US6439297B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf entfaltbare Radiatoren für Raumfahrzeuge, insbesondere für Satelliten.
Ein typischer Nachrichtensatellit in einer Erdumlaufbahn ist in 1 dargestellt. Die Leistung wird durch Solarpaneele 1 und 2 erzeugt, und die HF-Leistung wird von den Parabolantennen 3 und 4 übertragen. Im typischen Fall werden für 1 kW erzeugte HF-Leistung etwa 4 kW als Wärme durch die elektrische Ausrüstung erzeugt. Die Wärme muß vom Satelliten abgeführt werden, und zu diesem Zweck wird die Wärme durch Wärme-Leitrohre oder Wärme-Transportschleifen, z. B. Kapillar-Pumpschleifen auf Strahlungsoberflächendes Satelliten geleitet. Die Oberflächen 5, 6 des Satelliten, die nach Nord und Süd weisen, bilden die Strahlungsoberflächen, da diese Oberflächen am wenigsten Wärme von der Sonne empfangen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß im Weltraum Wärme nicht durch Wärmeleitung oder Konvektion abgeführt werden kann.
Der zunehmende Bedarf an Nachrichtensatelliten erfordert die Erzeugung höherer Leistungen mit der daraus resultierenden Notwendigkeit, mehr Wärme abzuführen. Die Ausdehnung der Oberflächen 5, 6 kann nicht ohne schwerwiegende Verpackungsprobleme beim Start erfolgen, und eine gebräuchliche Lösung besteht darin, zusätzliche Strahlungsoberflächen zu benutzen, die beim Start des Satelliten verstaut sind und die entfaltet werden, wenn sich der Satellit auf seiner Umlaufbahn befindet (US-A-5 117 901). Das Gelenk zwischen den zusätzlichen Strahlungsoberflächen und dem Satelliten wird durch kurze, schraubenförmige Abschnitte einer geschlossenen Länge eines Rohres gebildet, das ein Arbeitsmittel enthält und auch einen Kapillarverdampfer besitzt und eine Kapillar-Pumpschleife bildet. Jedoch überquert das Rohr mehrfach die Paneele, wo es als Kondensator wirkt, und es muß daher ein relativ starker Verdampfer vorgesehen werden, um den notwendigen Pumpdruck zu erzeugen, wobei der einzelne geschlossene Pfad des Rohres dieses gegenüber Einschlägen von Mikro-Meteoriten verwundbar macht.
Ein weiterer Vorschlag eines entfaltbaren Radiators ist die Benutzung eines relativ langen und breiten, flachen Rohres, welches ein Wärmerohr bildet, das beim Start aufgerollt ist und unter der Kraft des Dampfdruckes eines Arbeitsfluids im Rohr abgerollt wird, wenn sich der Satellit im Weltraum befindet. Das abgerollte Rohr bildet ein Radiatorpaneel, das an einer Strahlungsoberfläche des Satelliten angebracht ist. In einem Wärmerohr werden jedoch im Gegensatz zu einer Kapillar-Pumpschleife die gleichen Oberflächen zur Verdampfung benutzt, wie sie für die Kondensation herangezogen werden, und dies ergibt gewisse Nachteile.
Ein Entfaltungssystem, das permanent Rohre deformiert, um Paneele zu drehen, wird in der US-A-4 756 593 beschrieben.
Ein entfaltbarer Radiator, der zum Start aufgerollt und zur Entfaltung abgerollt werden kann, wird in der US-A-3 490 718 beschrieben. Die Kanaldurchgänge im Radiator sind jedoch in ihrer Größe begrenzt, da sie eine Kapillarwirkung benutzen, um Materialverluste von Wärmeübertragungsmaterial im Falle des Auftreffens von Mikro-Meteoriten zu verhindern.
Die Erfindung schafft einen entfaltbaren Radiator für ein Raumfahrzeug, der mehrere Kapillarverdampfer aufweist, von denen jeder in einer entsprechenden geschlossenen Schleife des Rohres liegt, das ein Arbeitsfluid enthält, und die Schleifen erstrecken sich über die Verbindungsstruktur über wenigstens einen Teil ihrer Länge in der Weise, daß die Verbindungsstruktur zusammen mit den Schleifen zum Start aufgerollt und zur Entfaltung abgerollt werden können.
Diese Anordnung ermöglicht eine zweckmäßige Verstauung des Radiators, der weniger anfällig gegenüber dem Auftreffen von Mikro-Meteoriten ist als dann, wenn eine einzige Kapillar-Pumpschleife benutzt würde.
Zweckmäßigerweise rollt sich die Verbindungsstruktur bei der Benutzung unter dem Einfluß der Federkraft der aufgerollten Schleifen ab und, obgleich diese Federkraft die Gesamtkraft zum Abrollen der Verbindungsstruktur bildet, kann auch ein Ausfahrmechanismus vorgesehen werden, um das Abrollen zu unterstützen. Die Verbindungsstruktur kann von einer Schicht aus leitfähigem Material gebildet sein, die auf einer Schicht aus Plastikmaterial angeordnet ist. Eine solche Schicht aus leitfähigem Material würde dazu dienen, die Wärme auszubreiten. Die Verbindungsstruktur kann ein durchgehendes Paneel sein oder sie kann maschenartig sein oder sogar leistenförmig.
Die Kapillarverdampfer können ihrerseits an der Seite des Raumfahrzeugs festgelegt sein.
Nachstehend wird ein entfaltbarer Radiator für ein Raumfahrzeug, der gemäß der Erfindung ausgebildet ist, in Verbindung mit der beiliegenden Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigen:
1 zeigt eine schematische Ansicht eines typischen Satelliten mit Strahlungsoberflächen, aber ohne entfaltbaren Radiator;
2 zeigt den Satelliten gemäß 1, ausgestattet mit einem entfaltbaren Radiator gemäß der Erfindung;
3 ist eine Grundrißansicht des entfalteten Radiatorpaneels gemäß 2, wobei nur ein Teil des Satelliten dargestellt ist;
4 zeigt das Radiatorpaneel in einer Verstaustellung;
5 zeigt einen Teil des Verstaumechanismus (nicht maßstabsgetreu);
6 zeigt den Mechanismus gemäß 5 nach Freigabe des Paneels (nicht maßstabsgetreu);
7 ist ein Schnitt nach der Linie A-A gemäß 3;
8 ist in größerem Maßstab gezeichnet ein Teil der Schichtenkonstruktion gemäß 7; und
9 ist eine Grundrißansicht eines modifizierten entfalteten Radiatorpaneels.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die 1 und 2 zeigen den Satelliten von unten. Der Satellit ist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel in der Umlaufbahn geostationär (obgleich die Erfindung auch auf Satelliten mit anderer Umlaufbahn anwendbar ist), und so erstreckt sich die Achse der langen Solarpaneele 1, 2 in Nord-Süd-Richtung, was bedeutet, daß die Oberfläche 5 in eine nördliche Richtung und die Oberfläche 6 in südliche Richtung weist. Diese Oberflächen empfangen nur schräg Wärme von der Sonne auf verschiedenen Teilen der Umlaufbahn und daher werden sie benutzt, um die Restwärme abzustrahlen, die durch die elektrische Ausrüstung des Satelliten erzeugt wird. Jede Oberfläche 5, 6 kann mit einem Gitter von Wärmerohren versehen sein, um die Wärme, die den Oberflächen von der Innenseite des Satelliten zugeführt wird, über den vollen Oberflächenbereich der strahlenden Oberflächen zu verteilen.
Wie aus 2 und 3 ersichtlich, besitzt der Satellit gemäß der Erfindung einen entfaltbaren Radiator in Form einer Vielzahl von Kapillar-Pumpschleifen, die sich über eine Verbindungsstruktur 11 erstrecken und die in eine mehr oder weniger flache Gestalt federnd aufspringen, wenn eine Freigabe erfolgt.
Gemäß 3 ist eine Reihe kleiner Kapillarverdampfe 7^' bis 7ⁿ auf der Strahlungsoberfläche 6 benachbart zum rechten Rand gemäß 2 und 3 angeordnet. Jeder Kapillarverdampfer 7^' usw. ist an Rohre 8^' , 9^' mit kleinem Durchmesser angeschlossen, die durch kurze Abschnitte eines ähnlichen Rohres 10^' verbunden sind.
Jeder Verdampfer 7ⁿ ist daher in einer geschlossenen Schleife 8ⁿ , 10ⁿ , 9ⁿ enthalten, die ein Arbeitsfluid enthält, und zusammen bilden diese eine Kapillar-Pumpschleife, wie diese beispielsweise in der US-A-5 117 901 und der eigenen Patentanmeldung der Anmelderin Nr. 96 09277.0 beschrieben ist. Das Arbeitsfluid wird im Verdampfer 7ⁿ verdampft und der heiße Dampf wandert längs des Rohres 8ⁿ , wo er Wärme abgibt und graduell in eine flüssige Form kondensiert. Die Flüssigkeit wird nach dem Verdampfer 7ⁿ über den Schenkel 9ⁿ zurückgeführt, wo die Wärme vom Verdampfer 7ⁿ aufgenommen wird und wo das Arbeitsfluid in der Kapillarstruktur der Dochtstruktur des Verdampfers verdampft. Die geschlossenen Schleifen 8ⁿ , 10ⁿ , 9ⁿ dienen demgemäß als Kondensator für die Kapillar-Pumpschleife.
Die Schleifen 8ⁿ , 10ⁿ , 9ⁿ sind mit der Verbindungsstruktur 11 fest verbunden, und diese besteht aus einem Paneel aus Plastik mit leitfähiger Folie. Die leitfähige Folie dient zur Verteilung der Wärme in der Schleife über der Oberfläche des Paneels.
Die Federwirkung der Rohre selbst liefert im aufgerollten Zustand die Antriebskraft zum Abrollen der strahlenden Oberfläche.
Die Schleifen des Rohres 8ⁿ , 9ⁿ sind schichtmäßig zwischen einem Paar von Paneelen über den größten Teil ihrer Länge zusammengefügt, aber der besseren Übersicht wegen ist der größte Teil des oberen Paneels in 3 abgeschnitten. Ein kleiner Abschnitt A-A des gesamten Schichtenkörpers ist in 7 dargestellt. 8 zeigt einen sogar noch kleineren Abschnitt zwischen den Rohren 8^' , 9^' . So bestehen die Paneele jeweils aus einer Lage aus Plastikmaterial mit hohem Strahlungswiderstand 19, 20 (kosmische Partikel), wobei ein geeignetes Material Polyimide sind, beispielsweise KAPTON (registrierte Marke), die eine Schicht aus leitfähigem Material 16, 17, beispielsweise Aluminium, trägt, wobei die Schichten durch ein Kleberblatt 18 zusammengefügt sind. Eine derartige Struktur ergibt eine hohe Infrarotstrahlung und eine geringe Sonnenabsorption. Eine typische Dicke des Plastikmaterials 19, 20 beträgt 25 bis 50 μm und 100 μm für die leitfähigen Schichten 16, 17. Stattdessen könnte die Schicht aus leitfähigem Material auf einer Seite eine Schicht aus Plastikmaterial aufweisen und eine Farbschicht auf der anderen Seite oder auch nur eine Farbschicht auf jeder Seite.
So wird das Paneel 11 zusammen mit den Schleifen 8ⁿ , 10ⁿ , 9ⁿ um das rechte Ende des Paneels gemäß 3 aufgewickelt und durch Bänder 12, 13 gehalten, die ihrerseits auf der Strahlungsoberfläche durch Freigabemittel, beispielsweise Metallklemmen 14, 15 (4), gehalten werden, oder es können stattdessen pyrotechnische Vorrichtungen benutzt werden.
Gemäß 5 und 6 besitzen die Bänder 12, 13 an ihren Enden Ringösen 21, die durch Stifte 22 in den Klemmen 14 gehalten werden (die 5 und 6 zeigen nur die Metallklemme 14). Wenn es erforderlich ist, die Strahlungsoberfläche im Raum zu entfalten, wird ein elektrischer Strom durch den Stift 22 geschickt, wodurch der Stift zurückgezogen wird und die Ringösen 21 gelöst und das Band 12 freigegeben werden. Das Gleiche geschieht bei der Metallklemme 15. Das Paneel entrollt sich dann unter der Wirkung der Federkraft der Schleifen 8ⁿ , 10ⁿ , 9ⁿ . Wie aus 2 ersichtlich, besitzt das Paneel eine geringe Restkrümmung, wenn sie entfaltet ist, was sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen hat.
Die Reihe von Kapillarverdampfern 7^' bis 7ⁿ ist in thermischem Kontakt mit einem Wärmerohr montiert, das in der Strahlungsoberfläche 6 eingebettet ist. Beispielsweise kann das Wärmerohr einen Flansch aufweisen, an dem die Kapillarverdampfer mit Bolzen befestigt sind. Falls erforderlich, können ähnliche Radiatorpaneele vorgesehen werden, die sich von den anderen drei Rändern der Strahlungsoberfläche 6 oder von einem oder mehreren Rändern der Strahlungsoberfläche 5 erstrecken.
Es können wenigstens zehn Schleifen auf dem Paneel 11 vorgesehen sein und gemäß einem Ausführungsbeispiel haben sich fünfzig Schleifen als sehr wirksam erwiesen. Jede Schleife ist in der Lage, 20 bis 50 W zu verteilen, und das Rohr 8ⁿ , 10ⁿ , 9ⁿ hat einen Innendurchmesser von 0,9 mm und eine Länge von 1 m. Das Arbeitsfluid für die Kapillar-Pumpschleifen sowie für die Wärmerohre in den Strahlungsoberflächen war dabei Ammoniak, obgleich auch Wasser benutzt werden könnte. Das Rohr kann aus rostfreiem Stahl oder Inconel (einer Nickellegierung) bestehen, und der Verdampfer kann eine Fläche von 25 mm × 50 mm besitzen.
Das Beispiel, dessen Dimensionen oben angegeben wurden, kann zu einem Durchmesser von 100 mm oder weniger aufgerollt werden.
Anstelle der in den 5 und 6 dargestellten Freigabemechanismen können auch noch andere Mechanismen benutzt werden, beispielsweise eine Wärmeschneidvorrichtung. Diese kann, wenn sich Wärme entwickelt hat, die Bänder 12, 13 schmelzen, um das Paneel freizugeben.
Das System selbst ist redundant und gegen Mikro-Meteoritenaufschlag geschützt und liefert eine gute Leitfähigkeit, da der Kontaktbereich mit dem Kollektor-Wärmerohr in thermischer Berührung mit der Reihe von Verdampfern groß ist, und die Anordnung ist sehr leicht und bewirkt keine Störung mit anderen Solaranordnungen oder Reflektoren. Dies bedeutet, daß bei einem Fehler, der das Entfalten verhindert, nur ein Teil der thermischen Kapazität vermindert wird.
Die berechnete Masse beträgt 1,6 kg pro Quadratmeter, wodurch etwa 400 W verteilt werden können.
Die Entfaltungsfrequenz ist niedrig, da das entfaltete Paneel die Rohre nur als Versteifung aufweist. Jedoch ist die Masse ebenfalls gering (der entfaltete Abschnitt beträgt nur 1 kg pro Quadratmeter), und dies unterstützt die Lösung dieses Problems. Die Rohre können miteinander mit senkrechten Kreuzgliedern verbunden werden, um eine Verbesserung zu erreichen, und das Plastikblatt könnte durch zahlreiche Streifen aus Kohlenstoffasem (ähnlich einem Lattenrost) ersetzt werden, und hierdurch würde die Steifigkeit auf Kosten der Masse erhöht. Die Paneele müssen nur in einer Richtung flexibel sein, damit sie aufgefaltet werden können.
Eine kurze Länge des Rohres 10 wurde dargestellt, das die langen Abschnitte 8, 9 verbindet, aber, falls erforderlich, könnte die Schleife 8, 10, 9 aus einer Rohrlänge hergestellt werden.
Der entfaltbare Radiator kann von den Hauptradiatoren des Satelliten entfernt montiert sein, und er könnte beispielsweise einen speziellen Radiator bilden, der an einem Kollektorwärmerohr einer phasengesteuerten Antenne angebracht ist.
Es ist nicht notwendig, daß die Verdampfer 7^' bis 7ⁿ eine Reihe benachbart zu einem Rand der Strahlungsoberfläche 6 bilden. Falls erforderlich, könnten die Verdampfer 7^' bis 7ⁿ in der Nähe von Komponenten so an dem linken und rechten Rand der Strahlungsoberfläche 6 angeordnet werden, wie dies in 3 dargestellt ist, wobei die Schleifen nicht parallel zu sein brauchen und in irgendeiner Richtung verteilt sein könnten. Die Schleifen verlaufen von dem rechten Rand der Strahlungsoberfläche 6 nach rechts und müßten an jenem Rand oder in der Nähe desselben festgeklemmt werden.
Falls erforderlich, könnte ein Streckmechanismus vorgesehen werden, um das Abrollen des Paneels zu unterstützen, insbesondere wenn größere Anordnungen Verwendung finden. Geeignete Streckmechanismen umfassen Schwenkarme oder Teleskopmaste. In 9 ist ein modifizierter Radiator dargestellt, bei dem ein Streckmechanismus vorgesehen ist. Im übrigen ist das Paneel genauso ausgebildet, wie in 3 dargestellt.
Der Streckmechanismus umfaßt Arme 23, 24, die sich von den Befestigungspunkten 25, 26 des Raumfahrzeugs nach einer Rolle 27 erstrecken, die am äußersten Rand des Paneels angeordnet ist. Die Arme 23, 24 sind jeweils bei 28, 29 angelenkt.
Im verstauten Zustand ist das Paneel 11 um die Rolle 27 aufgewickelt, und die Arme 23, 24 sind über ihre Länge an den Gelenken 28, 29 zurückgefaltet und liegen benachbart und parallel zu dem rechten Rand der Oberfläche (gemäß 9). Demgemäß erstreckt sich jener Teil des Armes 24 links des Gelenkes 29 (gemäß 9) vom Befestigungspunkt 26 längs des Randes 6a im verstauten Zustand. Am Gelenk 29 ist der übrige Teil des Armes in Gegenrichtung zurückgefaltet, so daß das Ende der Rolle 27 benachbart zum Befestigungspunkt 26 gehalten wird. Das Gleiche trifft für den Arm 23 zu mit dem Unterschied, daß dieser sich vom Befestigungspunkt 25 längs des Randes 6a erstreckt und das andere Ende der Rolle benachbart zu dem Befestigungspunkt gehalten wird.
Nicht dargestellte, in den Gelenken 28 und 29 angeordnete Motoren drehen sich, um die gefalteten Arme zu öffnen und um den Radiator zu entfalten, wobei die Arme in der Zeichenebene während der Entfaltung verbleiben. Die Enden 27a, 27b der Rolle 27 drehen sich relativ zum Hauptkörper der Rolle (beispielsweise können die Enden mit einem starren Stab durch den Mittelpunkt der Rolle verbunden sein, der als Achse wirkt), so daß beim Entfalten der Arme von einem eingeschlossenen Winkel für jeden Arm zwischen 0° und 180° gemäß 9 die Rolle graduell das Paneel entrollt, bis der extreme entfaltete Zustand gemäß 9 erreicht ist. Die Federwirkung des Paneels unterstützt den Abrollprozeß.
Das Vorhandensein der Rolle 27 und der Arme 23, 24 ergibt eine gewisse zusätzliche Steifigkeit für das entfaltete Paneel. Außerdem liefert die Rolle eine Entfaltungskraft, die gleichförmig verläuft und den abgerollten Radiator formt. Diese Anordnung ist insbesondere für größere Paneele geeignet, beispielsweise bis zu 4 Metern Länge.
Ein Band zum Halten des Paneels im aufgewickelten Zustand ist dabei nicht mehr erforderlich.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform könnten die Arme in der Ebene, die durch ihre Länge und normal zur Ebene der Zeichnung verläuft, gefaltet sein, und in diesem Fall würden sie benachbart und parallel zu einem Vertikalrand des Raumfahrzeugs verlaufen, wie dies in 2 in der Staustellung dargestellt ist.
In einigen Fällen kann die Rolle wegfallen, wobei die Arme an Befestigungspunkten am äußeren Ende des Pannels befestigt sind.
Es können reversible Motoren vorgesehen werden, um das entfaltete Paneel aufzurollen oder teilweise aufzurollen, wenn sich das Raumfahrzeug im Raum befindet.
Es können andere Antriebe anstelle der Motoren in den Gelenken 28, 29 benutzt werden, oder Antriebe oder Motoren können an anderer Stelle als in den Gelenken angeordnet sein, beispielsweise in der Rolle 27.

Claims

Entfaltbarer Radiator für ein Raumfahrzeug, der eine Vielzahl von Kapillarverdampfern aufweist, von denen jeder mit einer entsprechenden geschlossenen Schleife eines Rohres verbunden ist, das ein Arbeitsfluid enthält, wobei die Schleifen sich über eine Verbindungsstruktur über wenigstens einen Teil ihrer Länge erstrecken, so daß die Verbindungsstruktur mit den Schleifen zum Start aufgerollt und später zur Entfaltung abgerollt werden können.
Entfaltbarer Radiator nach Anspruch 1, bei welchem die Schleifen derart sind, daß die Verbindungsstruktur sich unter dem Einfluß der Federkraft der aufgerollten Schleifen abrollt.
Entfaltbarer Radiator nach Anspruch 2, bei welchem ein Streckmechanismus vorgesehen ist, um das Abrollen der Verbindungsstruktur zu unterstützen.
Entfaltbarer Radiator nach Anspruch 3, bei welchem der Streckmechanismus reversibel ist, damit die Verbindungsstruktur wenigstens teilweise im Raum aufgerollt werden kann.
Entfaltbarer Radiator nach Anspruch 2, bei welchem die Federkraft der aufgerollten Schleifen die Gesamtkraft zum Abrollen der Verbindungsstruktur bildet.
Entfaltbarer Radiator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Verbindungsstruktur aus einer Schicht aus leitfähigem Material und einer Schicht aus Plastikmaterial besteht.
Entfaltbarer Radiator nach Anspruch 6, bei welchem die Schicht aus leitfähigem Material auf der Schicht aus Plastikmaterial aufgetragen ist.
Entfaltbarer Radiator nach Anspruch 7, bei welchem die Struktur zwei Schichten aus Plastikmaterial aufweist, die mit jeweils Schichten aus leitfähigem Material überzogen sind, wobei die Schleifen zwischen den Schichten eingeschlossen sind und das leitfähige Material aufeinander zu gerichtet ist.
Entfaltbarer Radiator nach den Ansprüchen 1 bis 8, bei welchem die Kapillarverdampfer in thermischem Kontakt mit einem Wärmerohr stehen.
Entfaltbarer Radiator nach Anspruch 9, bei welchem die Kapillarverdampfer in einer Reihe angeordnet sind.
Entfaltbarer Radiator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die Schleifen sich parallel zueinander über die Verbindungsstruktur erstrecken.
Entfaltbarer Radiator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem die Kapillarverdampfer auf einer Oberfläche des Raumfahrzeugs angeordnet sind.
Raumfahrzeug, welches einen entfaltbaren Radiator nach einem der Ansprüche 1 bis 12 enthält.