DE3907063C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von faltbaren, aus gelenkig miteinander verbundenen Panels aufgebauten Solargeneratorflügeln an Raumflugkörpern, gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und 2.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der DE-OS 36 15 264 bekannt. Die Aufteilung der Solarzellenfläche auf zwei symmetrisch angeordnete Solargeneratorflügel hat sich in der Praxis bewährt und wird öfters angewendet. Betrachtet man den zusammengefalteten Zustand der Solargeneratorflügel einerseits und den vollentfalteten Zustand andererseits, 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 (Apogäumstriebwerk), welches dazu dient, nach Trennung von der letzten Raketenstufe die vorgesehene Umlaufbahn zu erreichen. Die Triebwerksachse verläuft normalerweise durch den Satellitenschwerpunkt, wobei letzterer durch den zusammengefalteten bzw. vollentfalteten Zustand der Solargeneratorflügel vorgegeben ist. Ein Einschalten des Triebwerkes (Beschleunigung) im teilentfalteten Zustand führt aufgrund der genannten Schwerpunktverschiebung zu einem Drehmoment (z. B. Nickmoment um Solargeneratorachse), welches vom Lageregelungssystem erfaßt und kompensiert werden muß. Diese Kompensation kann beispielsweise durch Verschwenken des Triebwerkes, durch das Einschalten von Zusatztriebwerken, durch Massenverschiebungen oder durch andere Gegenmomente (z. B. Kreisel) erfolgen.

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

Aus der EP-OS 1 20 662 ist eine Anordnung von teilweise und vollständig entfaltbaren Solargeneratorflügeln an einem drallstabilisierten Satelliten bekannt, welche Schwerpunktverchiebungen durch die Teilentfaltung vermeidet. Während sich der Satellit von seinem Träger (Shuttle, Raketenoberstufe etc.) trennt, wird er - mit noch zusammengefalteten Solargeneratorflügeln - in Rotation versetzt (Achse Z-Z), um drallstabilisiert und mit eigenem Triebwerk die vorgesehene, geostationäre Umlaufbahn zu erreichen. Infolge des Treibstoffverbrauchs kann sich u. a. sein Trägheitsmoment um die Rotationsachse ändern, wodurch es zu Instabilitäten kommen kann. In diesem Fall ist vorgesehen, die Solargeneratorflügel teilweise zu entfalten, um das Trägheitsmoment zu vergrößern und die Rotation zu stabilisieren. Um dabei eine Schwerpunktverschiebung zu vermeiden, sind die Solargeneratorflügel gegensinnig gefaltet, so daß sich die teilentfalteten Panels "diagonal" gegenüberstehen. Somit dient die Teilentfaltung hier weniger der Energieversorgung als vielmehr der Lagestabilisierung.

Dieses Prinzip der gegensinnig gefalteten Solargeneratorflügel läßt sich natürlich auch auf nicht-drallstabilisierte Satelliten übertragen, bei denen die Teilentfaltung einer reduzierten Energieversorgung dient. Nachteilig ist, daß bei identischer Ausführung beider Flügel die Solarflächen in entgegengesetzte Richtungen weisen und somit nicht gleichzeitig zur Sonne orientiert werden können. Abhilfe könnte hier eine entgegengesetzte Orientierung der Solarflächen an einem Flügel schaffen, verbunden mit dem Nachteil zweier unterschiedlicher Flügelstrukturen.

Angesichts der Nachteile der Lösungen nach dem Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, weitere Anordnungsmöglichkeiten von teil- und vollentfaltbaren Solargeneratorflügeln an Raumflugkörpern anzugeben, welche Schwerpunktverschiebungen durch die Teilentfaltung weitestgehend vermeiden und dadurch eine Vereinfachung des Lageregelungssystems ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch die im Hauptanspruch 1 sowie im Nebenanspruch 2 gekennzeichneten Merkmale alternativ gelöst.

Die Lösung nach Anspruch 1 besteht darin, daß die teilentfaltbaren Panels 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 Panels an. Auf diese Weise werden die teilentfalteten Panels in der Längsmittelachse der Solargeneratorflügel gehalten. Die Masse der Aufhängung ist klein gegenüber der Masse der Panels, so daß sie auch im asymmetrischen, zusammengefalteten Zustand praktisch keine Schwerpunktverlagerung zur Folge hat.

Die Lösung nach Anspruch 2 ist darin zu sehen, daß das die teilentfalteten Panels tragende Panel so schräggestellt wird, daß der Gesamtschwerpunkt 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 dargestellten Ausführungsbeispiele noch näher erläutert. Dabei zeigen in schematischer Darstellung:

Fig. 1 und 2 eine perspektivische Ansicht eines Solargeneratorflügels an einem Raumflugkörper in teilentfaltetem und vollentfaltetem Zustand,

Fig. 3 eine Ansicht eines teilentfalteten Solargeneratorflügels in Richtung der Schwenkachsen.

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Lösung, um den Gesamtschwerpunkt der Solargeneratorflügel bei Teilentfaltung nicht zu verlagern. Der Einfachheit halber ist nur ein Solargeneratorflügel 8 der erforderlichen 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 angelenkt ist. Die Aufhängung 26 weist zwei parallele Schwenkachsen V und W auf, deren Abstand a etwa der halben Panellänge entspricht. Die Panellänge ist hier unterhalb des Panels 14 aufgetragen und deshalb mit l₁₄ bezeichnet. Wie bei tatsächlichen Ausführungen bevorzugt, soll sie möglichst 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 weiteren sind wieder in gewohnter Weise über je eine Schwenkachse im Randbereich gelenkig verbunden. Die Verbindung der Panels mit dem Raumflugkörper 5 wird von der Aufhängung 27 übernommen, welche - im vorliegenden Fall - in sich zusammenklappbar ist. Wie aus den Fig. 1 und 2 ersichtlich, 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. 1 und 2 dieselbe Lage des Gesamtschwerpunktes der Solargeneratorflügel. Im vollständig zusammengefalteten Zustand des Solargeneratorflügels 8 ergibt sich eine gewisse Asymmetrie 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 entgegengesetzte Seiten der Längsmittelachse Y zu klappen.

Eine zweite Möglichkeit zur Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist in Fig. 3 dargestellt. Die Anordnung 3 umfaßt - wie die Anordnung 2 - zwei Solargeneratorflügel an einem Raumflugkörper, von denen wiederum nur einer dargestellt ist und zwar mit dem Bezugszeichen 9. Der Solargeneratorflügel 9 besteht u. a. aus einem teilentfaltbaren Panel 17 sowie aus nur vollständig entfaltbaren Panels, deren äußerstes 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 α 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 δ zwischen den Panels 17 und 18: δ=90°+α.

Ausgehend von der Voraussetzung, daß der Schwerpunkt der gestapelten Panels auf der Y-Achse liegt, wird der Winkel α so gewählt, daß der Gesamtschwerpunkt S_{17, 18} des Massesystems aus den Panels 17 und 18 auf der Y-Achse liegt.

Für die nachstehenden Berechnungen sollen weiterhin folgende Voraussetzungen gelten:

• - Die Schwerpunkte S₁₇ und S₁₈ der Panels 17 und 18 liegen jeweils in der Mitte der Panellänge,
• - die Schwenkachsen A_{17, 18} und A_{18, 19} liegen in der Längsmittelebene der Panels,
• - die Dicke der Panels 17 und 18 ist vernachlässigbar klein gegenüber den Längenabmessungen l₁₇ und l₁₈.

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. 3 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 1 abgekürzt wird.

Es gilt:

x₁₇ = 1/2 · (2 cos α-1)

x₁₈ = 1/2 · (1-cos α)

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 m₁₇ zusammenfassen, wobei m₁₇ dann doppelt so groß wie m₁₈ 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 gewisse Abweichungen von den vorausgehend berechneten Winkeln, welche im Bereich von wenigen Winkelgraden liegen dürfen.

Claims (2)

1. Anordnung von faltbaren, aus gelenkig miteinander verbundenen Panels 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 entfaltbar sind, wobei im vollentfalteten Zustand die Solargeneratorflügel eine gemeinsame Längsmittelachse aufweisen, und alle Panels in einer Ebene liegen, dadurch gekennzeichnet, daß das teilentfaltbare Panel (14) bzw. die teilentfaltbaren 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 Schwenkachse (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 Schwenkachsen (V, W) etwa der halben Panellänge (l₁₄) entspricht (Fig. 1, 2).

2. Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, dadurch gekennzeichnet, daß im teilentfalteten Zustand jedes Solargeneratorflügels (9) das Panel (18), welches das Innerste (17) der teilentfaltbaren Panels trägt, in einer solchen Schrägstellung (Winkel α) 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) bw. den teilentfalteten Panels auf der - durch den vollentfalteten Zustand definierten - Längsmittelachse (Y) beider Solargeneratorflügel (9) liegt (Fig. 3).