DE3907063A1

DE3907063A1 - Solargeneratoranordnung fuer teil- und vollentfaltung

Info

Publication number: DE3907063A1
Application number: DE3907063A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Ing Janson; Otto-Heinz Dr Ing Gruber; Roland Dipl Ing Cosaert
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Janson Juergen 8012 Ottobrunn De Gruber Otto-H
Priority date: 1989-03-04
Filing date: 1989-03-04
Publication date: 1990-09-13
Also published as: JPH02270700A; FR2643871A1; DE3907063C2; US4988060A; FR2643871B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von faltbaren, aus gelenkig mit einander verbundenen Panels aufgebauten Solargeneratorflügeln an Raum flugkörpern, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 bis 3.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 36 15 264 be kannt. Die Aufteilung der Solarzellenfläche auf zwei symmetrisch ange ordnete Solargeneratorflügel hat sich in der Praxis bewährt und wird öf ters angewendet. Betrachtet man den zusammengefalteten Zustand der So largeneratorflügel einerseits und den vollentfalteten Zustand anderer seits, so ist die Schwerpunktlage des Solargenerators und damit des Raumflugkörpers, z.B. des Satelliten, in beiden Zuständen in der Regel nahezu unverändert. Die hierfür verwendeten Flügelkinematiken mit Zwangssteuerung (CCL etc.) sind bekannt.

In gewissen Flugphasen kann es ausreichend sein, den Raumflugkörper mit reduzierter Solarleistung zu versorgen, wofür dann nur ein oder wenige der äußeren Panels beider Solargeneratorflügel um ca. 90° gegenüber den noch zusammengefalteten Panels teilentfaltet werden. Dieser Zustand ist z.B. in Fig. 1 der DE-OS 36 15 264 wiedergegeben. Es ist offensichtlich, daß die einseitige Lage der teilentfalteten Panels zu einer spürbaren Schwerpunktverschiebung des Solargenerators und damit des Satelliten führt. Satelliten besitzen in der Regel ein Raketentriebwerk (Apogäums triebwerk), welches dazu dient, nach Trennung von der letzten Raketen stufe die vorgesehene Umlaufbahn zu erreichen. Die Triebwerksachse ver läuft normalerweise durch den Satellitenschwerpunkt, wobei letzterer durch den zusammengefalteten bzw. vollentfalteten Zustand der Solargene ratorflügel vorgegeben ist. Ein Einschalten des Triebwerkes (Beschleuni gung) im teilentfalteten Zustand führt aufgrund der genannten Schwer punktverschiebung zu einem Drehmoment (z.B. Nickmoment um Solargenera torachse), welches vom Lageregelungssystem erfaßt und kompensiert werden muß. Diese Kompensation kann beispielsweise durch Verschwenken des Triebwerkes, durch das Einschalten von Zusatztriebwerken, durch Massen verschiebungen oder durch andere Gegenmomente (z B. Kreisel) erfolgen.

Alle diese Maßnahmen erhöhen jedoch die Anforderungen an das Lagerege lungssystem und machen dieses somit aufwendiger, teurer und schwerer, wodurch sich letztlich auch die Ausfallwahrscheinlichkeit erhöht.

Angesichts der Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, mehrere Anordnungsmöglichkeiten von teil- und vollentfaltbaren Solargeneratorflügeln an Raumflugkörpern an zugeben, welche Schwerpunktverschiebungen durch die Teilentfaltung wei testgehend vermeiden und dadurch eine Vereinfachung des Lageregelungssy stems ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie in den Nebenan sprüchen 2 und 3 gekennzeichneten Merkmale alternativ gelöst.

Die Lösung nach Anspruch 1 sieht vor, die Solargeneratorflügel gegensin nig zu falten, so daß die teilentfalteten Panels des einen Flügels pa rallel versetzt zu denjenigen des anderen Flügels stehen, wobei die Pa nelebenen etwa eine Panellänge voneinander entfernt sind. Auf diese Wei se bleibt der Gesamtschwerpunkt der Solargeneratorflügel gegenüber dem gefalteten (verstauten) oder dem vollentfalteten Zustand unverändert.

Die Lösung nach Anspruch 2 besteht darin, daß die teilentfaltbaren Pa nels am äußersten der nur vollständig entfaltbaren Panels nicht direkt, sondern über eine Aufhängung mit zwei parallelen Schwenkachsen angelenkt sind. Diese Aufhängung greift am Rand des innersten, teilentfaltbaren Panels sowie in der Mitte des äußersten nur vollständig entfaltbaren Pa nels an. Auf diese Weise werden die teilentfalteten Panels in der Längs mittelachse der Solargeneratorflügel gehalten. Die Masse der Aufhängung ist klein gegenüber der Masse der Panels, so daß sie auch im asymmetri schen, zusammengefalteten Zustand praktisch keine Schwerpunktverlagerung zur Folge hat.

Die Lösung nach Anspruch 3 ist darin zu sehen, daß das die teilentfalte ten Panels tragende Panel so schräggestellt wird, daß der Gesamtschwer punkt des Massesystems, welches aus dem schräggestellten Panel und dem bzw. den teilentfalteten Panels besteht, auf der Längsmittelachse der Solargeneratorflügel liegt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in der Zeichnung dargestell ten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigen in schemati scher Darstellung:

Fig. 1 eine Ansicht eines Raumflugkörpers mit teiltentfalteten Solarge neratorflügeln in Richtung der die Panels verbindenden Schwenk achsen,

Fig. 2 und 3 eine perspektivische Ansicht eines Solargeneratorflügels an einem Raumflugkörper in teilentfaltetem und vollentfaltetem Zustand,

Fig. 4 eine Ansicht eines teilentfalteten Solargeneratorflügels in Richtung der Schwenkachsen.

Die Anordnung 1 nach Fig. 1 umfaßt zwei Solargeneratorflügel 6 und 7, welche an gegenüberliegenden Seiten des Raumflugkörpers 4 installiert sind und zu dessen Stromversorgung dienen. Im dargestellten, teilentfal teten Zustand stehen die wirksamen Panels 10 bzw. 12 etwa im rechten Winkel zu den äußersten noch nicht entfalteten Panels 11 bzw. 13 sowie zu allen weiteren, noch gestapelten Panels. Die dunkel wiedergegebenen Aufhängungen 24 und 25 tragen keine Solarzellen, sie stellen die Verbin dungselemente zwischen dem jeweils innersten Panel und dem Raumflugkör per 4 dar. Die zueinander parallelen Schwenkachsen der Panels bzw. der Aufhängungen 24 und 25 sind als kleine Kreise wiedergegeben, wobei die Schwenkachsen A _{10, 11} und A _{12, 13} die teilentfalteten Panels 10 bzw. 12 mit den nur vollständig entfaltbaren Panels 11 bzw. 13 gelenkig ver binden.

Die gezeigte Achse Y ist die Längsmittelachse beider Solargeneratorflü gel 6 und 7 im - nicht dargestellten - vollentfalteten Zustand, wenn alle Panels zumindest annähernd eine Ebene bilden. Wenn der Raumflugkörper 4 beispielsweise ein geostationärer Satellit ist, ist es günstig, die Solargeneratorflügel 6 und 7 um die Längsmittelachse Y drehbar zumachen, um sie der Sonne nachführen zu können und dadurch die tägliche Energieausbeute zu erhöhen.

Wie bei Anordnungen nach dem Stand der Technik liegt der Gesamtschwer punkt S beider Solargeneratorflügel 6 und 7 im vollentfalteten, ge streckten Zustand und im zusammengefalteten Zustand etwa an der selben Stelle auf der Achse Y. Durch die Erfindung wird erreicht, daß sich die Schwerpunktlage der Solargeneratorflügel 6 und 7 und damit auch diejeni ge des Raumflugkörpers 4 durch die Teilentfaltung nicht bzw. nur unmerk lich ändert, was - wie bereits erwähnt - die Lageregelung bei Beschleu nigungs- oder Verzögerungsvorgängen wesentlich vereinfacht. Bei der An ordnung 1 nach Fig. 1 wird dies dadurch erreicht, daß die Solargenera torflügel 6 und 7 gegensinnig gefaltet sind. Dies bedeutet, daß sich die teilentfalteten Panels 10 und 12, alle korrespondierenden Schwenkachsen, z.B. A _{10, 11} und A _{12, 13} sowie die Aufhängungen 24 und 25 im teil entfalteten Zustand jeweils diagonal gegenüberstehen, wobei die Verbin dungslinien der Schwerpunkte der korrespondierenden Einzelelemente stets durch den Gesamtschwerpunkt S der Solargeneratorflügel 6 und 7 verlaufen bzw. mit der Achse Y zusammenfallen. Die Ebenen der teilentfalteten Pa nels 10 und 12 sind parallel und etwa um die Panellänge l ₁₁ beabstan det. Die Länge aller dargestellten Panels ist übrigens gleich. Die So larzellenflächen der teilentfalteten Panels 10 und 12 werden in der Re gel so angeordnet sein, daß sie in die selbe Richtung weisen, was durch die gestrichelten Linien mit den Bezugszeichen 20 und 21 angedeutet ist. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit einer entgegengesetzten Ausrich tung, worauf die strichpunktierte Linie mit dem Bezugszeichen 22 am Pa nel 12 hinweist.

In Abhängigkeit von der Panelgröße und dem Energiebedarf kann es durch aus erforderlich sein, mehr als nur ein Panel jedes Solargeneratorflü gels teilzuentfalten, was jedoch am Prinzip der Erfindung nichts ändert.

Die Fig. 2 und 3 zeigen eine alternative Lösung, um den Gesamtschwer punkt der Solargeneratorflügel bei Teilentfaltung nicht zu verlagern. Der Einfachhheit halber ist nur ein Solargeneratorflügel 8 der erforder lichen zwei Flügel am Raumflugkörper 5 dargestellt. Die Besonderheit der Anordnung 2 ist darin zu sehen, daß das teilentfaltbare Panel 14 nicht direkt sondern mittels einer Aufhängung 26 am nächstinneren Panel 15 an gelenkt ist. Die Aufhängung 26 weist zwei parallele Schwenkachsen V und W auf, deren Abstand a etwa der halben Panellänge entspricht. Die Panel länge ist hier unterhalb des Panels 14 aufgetragen und deshalb mit l ₁₄ bezeichnet. Wie bei tatsächlichen Ausführungen bevorzugt, soll sie mög lichst bei allen Panels gleich sein. Die Schwenkachse V liegt am Rand des teilentfaltbaren Panels 14, die Schwenkachse W in der Mitte des nur vollständig entfaltbaren Panels 15. Die Panels 15 und 16 sowie alle wei teren sind wieder in gewohnter Weise über je eine Schwenkachse im Rand bereich gelenkig verbunden. Die Verbindung der Panels mit dem Raumflug körper 5 wird von der Aufhängung 27 übernommen, welche - im vorliegenden Fall - in sich zusammenklappbar ist. Wie aus den Fig. 2 und 3 ersicht lich, liegt das Panel 14 im teil- und vollentfalteten Zustand auf der Längsmittelachse Y. Vorausgesetzt, daß der Schwerpunkt des Panelstapels einschließlich der zusammengefalteten Aufhängung ebenfalls auf der Y-Achse liegt, ergibt sich nach Fig. 2 und 3 dieselbe Lage des Gesamt schwerpunktes der Solargeneratorflügel. Im vollständig zusammengefalte ten Zustand des Solargeneratorflügels 8 ergibt sich eine gewisse Asymme trie durch die einseitige Lage der Aufhängung 26. Da deren Masse jedoch klein ist gegenüber der Masse der Panels, hat diese Asymmetrie nur einen vernachlässigbaren Einfluß auf die Schwerpunktlage. Außerdem besteht die Möglichkeit, die Aufhängungen für die teilentfaltbaren Panels bei den zwei Solargeneratorflügeln im zusammengefalteten Zustand auf entgegenge setzte Seiten der Längsmittelachse Y zu klappen, entsprechend dem Prin zip der Diagonalanordnung nach Fig. 1.

Eine dritte Möglichkeit zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist in Fig. 4 dargestellt. Die Anordnung 3 umfaßt - wie die An ordnungen 1 und 2 - zwei Solargeneratorflügel an einem Raumflugkörper, von denen wiederum nur einer dargestellt ist und zwar mit dem Bezugszei chen 9. Der Solargeneratorflügel 9 besteht u.a. aus einem teilentfaltba ren Panel 17 sowie aus nur vollständig entfaltbaren Panels, deren äußer stes mit dem Bezugszeichen 19 versehen ist. Zwischen die Panels 17 und 19 ist ein Panel 18 eingefügt, welches in einer definierten Schräglage arretierbar und vollständig entfaltbar ist. Die Schräglage bezüglich des Panels 19 ist als Winkel a angegeben. Das teilentfaltete Panel 17 ist parallel zur Längsmittelachse Y und steht rechtwinklig zum Panel 19 und den weiteren, gestapelten Panels. Somit gilt für den Winkel w zwischen den Panels 17 und 18: w = 90° + a.

Ausgehend von der Voraussetzung, daß der Schwerpunkt der gestapelten Pa nels auf der Y-Achse liegt, wird der Winkel a so gewählt, daß der Ge samtschwerpunkt S _{17, 18} des Massesystems aus den Panels 17 und 18 auf der Y-Achse liegt.

Für die nachstehenden Berechnungen sollen weiterhin folgende Vorausset zungen gelten:

- Die Schwerpunkte S ₁₇ und S ₁₈ der Panels 17 und 18 liegen jeweils in der Mitte der Panellänge,
- die Schwenkachsen A _17,18 und A _{18, 19} liegen in der Längsmittel ebene der Panels,
- die Dicke der Panels 17 und 18 ist vernachlässigbar klein gegenüber den Längenabmessungen l ₁₇ und l ₁₈.

Es seien:

m₁₇ die Masse des Panels 17 einschließlich der Gelenke etc.,
m₁₈ die Masse des Panels 18 einschließlich der Gelenke etc.,
x₁₇ der Abstand des Schwerpunktes S₁₇ von der Y-Achse,
x₁₈ der Abstand des Schwerpunktes S₁₈ von der Y-Achse.

Die in Fig. 4 gezeigte X-Achse steht - wie üblich - senkrecht auf der Y-Achse.

Der Gesamtschwerpunkt S _{17, 18} liegt genau dann auf der Y-Achse, wenn gilt:

m₁₇ " x₁₇ = m₁₈ " x₁₈

Die gestapelten Panels einschließlich des Panels 19 sollen ebenfalls alle die Länge l₁₈ besitzen, welche im folgenden vereinfacht zu l abgekürzt wird.

Es gilt:

x₁₇ = 1/2 " (2 cos a -1)
x₁₈ = 1/2 " (1 - cos a)

Durch Einsetzen dieser Gleichungen in das obige Momentengleichgewicht und entsprechendes Umformen erhält man:

Für gleiche Panelmasse, d. h. m₁₇ = m₁₈, ergibt sich:

Werden beispielsweise zwei Panels teilentfaltet, so lassen sich diese für die Berechnung zu einer Masse m ₁₇ zusammenfassen, wobei m ₁₇ dann doppelt so groß wie m ₁₈ ist.

Man erhält (m₁₇ = 2" m₁₈):

Bei tatsächlichen Ausführungen dieser Bauart ist zu berücksichtigen, daß die Panels eine gewisse Dicke aufweisen und flach stapelbar sein sollen. Das heißt, die Schwenkachsen lassen sich in der Regel nicht mehr in der Längsmittelebene anordnen, sondern müssen zur Ober- bzw. Unterseite der Panels hin versetzt werden. Dadurch ergeben sich gezwungenermaßen gewis se Abweichungen von den vorausgehend berechneten Winkeln, welche im Be reich von wenigen Winkelgraden liegen dürften.

Claims

1. Anordnung von faltbaren, aus gelenkig miteinander verbundenen Pa nels aufgebauten Solargeneratorflügeln an Raumflugkörpern, insbesondere an Satelliten, mit zwei an gegenüberliegenden Seiten des Raumflugkörpers angebrachten Solargeneratorflügeln, bei welchen mindestens das äußerste Panel teilweise und vollständig, die übrigen Panels vollständig entfalt bar sind, wobei im vollentfalteten Zustand die Solargeneratorflügel eine gemeinsame Längsmittelachse aufweisen, und alle Panels in einer Ebene liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Solargeneratorflügel (6, 7) gegensinnig gefaltet sind, so daß die für reduzierte Energiever sorgung vorgesehenen Panels (10, 12) des ersten und des zweiten Solarge neratorflügels (6, 7) im teilentfalteten Zustand in zueinander paralle len, etwa um eine Panellänge (l ₁₁) versetzten Ebenen liegen, wobei die teilentfalteten Solarzellenflächen (20, 21, 22) in die gleiche oder in entgegengesetzte Richtungen weisen (Fig. 1).

2. Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das teilentfaltbare Panel (14) bzw. die teilentfalt baren Panels jedes Solargeneratorflügels (8) über eine Aufhängung (26) mit zwei parallelen Schwenkachsen (V, W) an das äußerste (15) der nur vollständig entfaltbaren Panels gekoppelt sind, daß die erste Schwenk achse (V) am Rand des innersten, teilentfaltbaren Panels (14) liegt, daß die zweite Schwenkachse (W) in der Mitte des äußersten, nur vollständig entfaltbaren Panels (15) liegt, und daß der Abstand (a) der Schwenkach sen (V, W) etwa der halben Panellänge (l ₁₄) entspricht (Fig. 2, 3).

3. Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch ge kennzeichnet, daß im teilentfalteten Zustand jedes Solargeneratorflü gels (9) das Panel (18) welches das innerste (17) der teilentfaltbaren Panels trägt, in einer solchen Schrägstellung (Winkel a) zu den noch nicht entfalteten Panels (19) arretiert ist, daß der Gesamtschwerpunkt (S _{17, 18}) des Massesystems bestehend aus dem schräggestellten Panel (18) und dem teilentfalteten Panel (17) bzw. den teilentfalteten Panels auf der - durch den vollentfalteten Zustand definierten - Längsmittel achse (Y) beider Solargeneratorflügel (9) liegt (Fig. 4).