DE4234875C2 - Vorrichtung zur Kopplung von mindestens zwei Raumfahrtgeräten und Verwendung der Vorrichtung zur Reparatur von Seilbeschädigungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kopplung von mindestens zwei Raumfahrtgeräten nach dem Oberbegriff des Anspruch 1 sowie die Verwendung einer solchen Vorrich­ tung zur Reparatur von Seilschäden.

In US 4 824 051 ist eine Vorrichtung zur Kopplung von zwei Raumfahrtgeräten beschrieben, bei welcher als Verbin­ dungsmittel ein Seil vorgesehen ist.

Bei der Anwendung der Fesselseil-Technologie in der Raum­ fahrt ergeben sich aufgrund der besonderen Systemkonfigura­ tion, beispielsweise aufgrund der exponierten Seilfläche pro Zeit, zusätzliche Schadensrisiken. Insbesondere stellt ein Seilriß, welcher durch technische oder mechanische Defekte, durch dynamische Instabilitäten oder aufgrund der Umgebungs­ bedingungen, beispielsweise in Form von natürlichen und/oder künstlichen Teilen im All, durch chemische Reaktionen mit der Atmosphäre oder durch Strahlungseinwirkung, hervorgeru­ fen worden ist, ein besonderes Risiko dar, das bis zum To­ talverlust der Raumfahrtmission führen kann.

Bei den bisher verwendeten Monoseilen ist nach einem Seilriß aufgrund der Wirkungen der Orbitalmechanik ein Wiederher­ stellen der ursprünglichen Fesselseilkonfiguration, falls überhaupt, nur mit einem äußerst hohen technischen Aufwand möglich.

Bisher kamen bei experimentellen, orbitalen Vorversuchen für die Fesselseil-Technologie, beispielsweise in Verbindung mit Gemini 11, Monoseile zur Anwendung. Ferner wurden bei ersten wissenschaftlichen Fesselseil-Missionen, wie beispielsweise bei dem TSS-1 Programm, ebenfalls nur leitende bzw. nicht­ leitende Monoseile verwendet. Im Rahmen des vorerwähnten TSS-1 Programms sind hinsichtlich einer Inspektion und einer möglichen Reparatur von beschädigten Monofesselseilen theo­ retische Untersuchungen angestellt worden.

Eine Abschätzung der Wahrscheinlichkeit eines Seilrisses (bei bis zu fünf möglichen Rissen pro Jahr) hat ergeben, daß aufgrund solcher Seilrisse das Risiko einer Raumfahrtmission unakzeptabel hoch ist. In vielen geplanten Anwendungsfällen würde ein Riß eines Monoseils möglicherweise zum Verlust von mindestens einem der gefesselten Systeme führen. Durch ein Überdimensionieren des Durchmessers eines Monoseils wird die Seilmasse quadratisch vergrößert, ohne daß dadurch die Seil­ riß-Wahrscheinlichkeit in gleichem Maße reduziert wird. Aus diesem Grund sind daher mit den bis heute eingesetzten und vorgeschlagenen Konzepten der Fesselseiltechnologie in der Raumfahrt nur kurzfristige Missionen möglich.

Wie bereits kurz ausgeführt, ist im Falle eines Seilrisses ein Wiederherstellen der Seilkonfiguration aufgrund der sich durch einen Seilriß ergebenden, divergierenden Umlaufbahnen der getrennten Raumfahrtsysteme, was durch die Gravitations­ gradienten-Kräfte bedingt ist, nur mit einem sehr hohen Auf­ wand und den damit verbundenen hohen Kosten möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Kopplung von mindestens zwei Raumfahrtgeräten zu schaffen, mit welcher die Risiken einer Raumfahrtmission aufgrund eines Seilrisses stark reduziert werden, und bei deren Ver­ wendung ein Reparieren eines Seilrisses ermöglicht wird. Ge­ mäß der Erfindung ist dies bei einer Vorrichtung zur Kopp­ lung von mindestens zwei Raumfahrtgeräten durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 erreicht. Vorteil­ hafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den Anspruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Durch die Erfindung sind Mehrfach-Seilsysteme geschaffen, bei welchen mindestens zwei Längsseilstränge durch flexible und/oder starre Stege, die als Quer- und/oder Diagonalver­ bindungen ausgebildet sind, verbunden sind. Durch den Ein­ satz und die Verwendung solcher Mehrfach-Seilsysteme ist der Fesselseil-Technologie ein redundantes System zur Verfügung gestellt. Damit ist die Wahrscheinlichkeit eines Versagens oder eines Ausfalls eines solchen Mehrfach-Seilsystems ent­ scheidend gemindert bzw. weitgehend ausgeschlossen.

Der Aufbau und die Ausbildung eines Mehrfach-Seilsystems können hierbei für den jeweiligen Anwendungszweck beliebig gewählt und entsprechend optimiert werden. So können bei­ spielsweise im Hinblick auf den jeweiligen Anwendungsfall die Anzahl der Längsseile, deren jeweiliger Abstand, die An­ zahl, der Abstand sowie die technische Ausführung der Stege in Form von Quer- und/oder Diagonalverbindungen sowie deren Beschaffenheit beliebig gewählt und festgelegt werden.

Im Falle eines Risses eines Einzelseils des Mehrfach-Seil­ verbundes läßt sich die Seilkonfiguration verhältnismäßig einfach dadurch wieder herstellen, daß der oder die verblie­ benen, unbeschädigten Seilstränge zum Auffinden des Schadens und zum Führen entsprechender Reparaturfahrzeuge, wie bei­ spielsweise eines Space-Crawlers, an den Ort des Schadens in Form eines Seilrisses, benutzt werden. Somit ist die Haupt­ ausfallursache aufgrund eines Seilrisses, welcher einem ope­ rationellen Einsatz hauptsächlich entgegensteht, durch ein einfaches oder gegebenenfalls sogar mehrfach redundantes Sy­ stem in Form des entsprechend ausgebildeten Mehrfach-Seilsy­ stems gemäß der Erfindung behoben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus­ führungsformen unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeich­ nungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Kopplung von zwei Satelliten;

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der erfindungsgemäßen Kopp­ lungsvorrichtung;

Fig. 3 eine schematisierte Querschnittdar­ stellung einer weiteren Ausfüh­ rungsform einer Kopplungsvorrich­ tung gemäß der Erfindung, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung der Anwendung der erfindungsgemäßen Kopplungsvorrichtung zur Behebung eines Seilrisses.

Die in Fig. 1 wiedergegebene, schematische Darstellung eines Fesselseil-Systems in Form eines Mehrfach-Seilsystems 3 weist zwei parallel verlaufende Längsseile 3 ₁₁ und 3 ₁₂, durch welche zwei Satelliten 1 und 2 miteinander verbunden sind, und die dazugehörigen Querverbindungen 3 ₂ auf; hier­ durch ist das Mehrfach-Seilsystem 3 in der Art einer Strick­ leiter ausgebildet. Das Mehrfach-Seilsystem 3 kann in Berei­ che unterteilt werden, die nachfolgend als Abschnitte be­ zeichnet werden und anhand von Fig. 2 beschrieben werden.

Die technischen Eigenschaften des anhand von Fig. 1 beschrie­ benen Mehrfach-Seilsystems 3 mit zwei Längsseilen und deren Querverbindungen können analog für alle vorstehend skizzier­ ten Mehrfach-Seilsysteme übernommen werden.

Bei einem Seilriß, beispielsweise eines der beiden Haupt­ stränge in Form der Längsseile 3 ₁₁ oder 3 ₁₂ in Fig. 1 an ir­ gendeiner Stelle des Seilsystems, bleiben außer dem defekten Abschnitt alle anderen Abschnitte des Seilsystems voll funk­ tionsfähig. Die für die weitere Beschreibung notwendigen, technischen Eigenschaften beziehen sich daher nur auf einen solchen Abschnitt.

Wie der schematischen Darstellung der Fig. 2 zu entnehmen ist, besteht ein Abschnitt aus Anteilen von zwei Hauptsträn­ gen oder Längsseilen 3 ₁₁ und 3 ₁₂ mit einer Sektionslänge von L_H und zwei Querverbindungen 3 ₂ mit einer Länge L_Q. Die Län­ ge L_Q, d. h. der Abstand der Längs- oder Hauptseile 3 ₁₁ und 3 ₁₂ muß dabei so bemessen werden, daß die Wahrscheinlichkeit, ein größeres Objekt könne beide Seile durchtrennen, sehr ge­ ring ist, wobei ein Wert von einigen Zentimetern schon aus­ reicht. Weitere wichtige technische Größen sind der Durch­ messer d_H der Hauptstränge oder Längsseile 3 ₁₁ und 3 ₁₂ sowie der Durchmesser d_Q der Querverbindungen 3 ₂. Mit diesen tech­ nischen Größen kann dann die Anzahl der möglichen Seildurch­ trennungen Z pro Jahr gemäß der nachstehenden Gleichung er­ halten werden:

wobei mit Φ_N der kumulative Teilchenfluß bezeichnet ist, welcher angibt, wieviele Teilchen, die größer als ein be­ stimmter Wert sind, auf einer Flächeneinheit pro Zeitinter­ vall auftreffen. Aus der gemäß der vorstehenden Gleichung berechneten Größe Z läßt sich dann auch die mittlere zu er­ wartende Zeit bis zu einem Fesselseilriß, d. h. der Erwar­ tungswert E der Zeit T_L ohne eine entsprechende Kollision, aus dem Reziprokwert von Z berechnen:

Die Wahrscheinlichkeit P von mindestens einer Seildurchtren­ nung in n Jahren ist dann gegeben durch:

P(T_L n) = 1 - e^-Zn

wobei P die Poisson-Verteilungsfunktion der Zeit T_L ohne Seilriß ist.

Die Wahrscheinlichkeit, daß beide Seile eines Abschnitts in n Jahren durchtrennt werden, ergibt sich dann zu

P(T_L n) = (1 - e^-Zn)²

unter der Annahme, daß die Wahrscheinlichkeit sehr gering ist, daß ein Teilchen beide Seile eines Abschnitts durch­ trennt.

Beispielhafte Ergebnisse nach den vorstehenden Gleichungen sind für entsprechend gewählte Durchmesser d und Seillängen L in der nachstehenden Tabelle zusammengefaßt.

In Fig. 3 ist ein weiteres Beispiel eines Mehrfach-Seilsy­ stems in Form eines Dreifach-Seilsystems wiedergegeben, wo­ bei die vorgesehenen drei Längs- oder Hauptseile 3 ₁₁ bis 3 ₁₃ im Schnitt dargestellt sind, während die drei Querverbindun­ gen mit 3 ₂₁ bis 3 ₂₃ bezeichnet sind. Die eingetragenen Durchmesserangaben d_H und d_Q entsprechen denjenigen der Fig. 2. Bei mehr als drei Längs- oder Hauptseilen können die Querverbindungen in Querschnittsansicht auch sternförmig, d. h. in einem sogenannten "Sternverbund" angeordnet werden. Ein solcher Sternverbund kann auch mit einem "Rundverbund" gekoppelt sein.

Bei der Ausführung der Querverbindungen 3₂ (in Fig. 2) und 3 ₂₁ bis 3 ₂₃ (in Fig. 3) kann prinzipiell zwischen starren Verbindungsstegen und elastischen Verbindungen unterschieden werden. Ferner können die Verbindungen zwischen den Querste­ gen bzw. -verbindungen und den Längs- oder Hauptseilen durch verschiedene Methoden hergestellt werden, nämlich beispiels­ weise durch starre Verbindungen, wie Klemmungen, (thermopla­ stische) Verschweißungen, Klebungen u.ä. oder auch durch elastische Verbindungen, wie mittels Klemmhülsen, Verschwei­ ßungen, durch Verflechten von Fasern, beispielsweise bei Seilen durch Spleißen, oder auch wieder durch Klebungen u. ä.

In Fig. 4 ist schematisch eine Reparatur eines Seilrisses 4 angedeutet. Bei Eintreten eines Seilrisses 4 kann durch eine entsprechende, ferngesteuerte Reparaturvorrichtung 5 eine solche defekte Stelle repariert werden. Hierzu kann als Reparaturvorrichtung beispielsweise ein schon bei der Mono­ seiltechnik beschriebener, sogenannter "Space-Crawler" 5 eingesetzt werden. Hierzu wird der Space-Crawler 5 entlang der intakten Abschnitte des Mehrfach-Seilsystems 3 in Fig. 4 beispielsweise von dem Satelliten 1 aus zu der defekten Stelle in Form eines Seilrisses 4 geführt. Mittels des Space-Crawlers 5 kann dann beispielsweise der in Fig. 4 dar­ gestellte Seilriß 4 repariert werden. Solange innerhalb des defekten Abschnitts eine weitere Führung des "Space-Crawlers" 5 durch intakt gebliebene Abschnitts-Anteile gewährleistet ist, sind auch räumlich ausgedehntere Beschädigungen eines Mehrfach-Seilsystems durchaus reparabel.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten eines Mehrfach-Seilsystems gemäß der Erfindung sind überall dort gegeben, wo beim Ein­ satz von Monoseilen das Risiko durch eine Seilbeschädigung aufgrund besonderer Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise in strahlungsexponierten Räumen, zu groß ist und beispiels­ weise eine Überdimensionierung der Monoseil-Stärke techni­ sche Nachteile beispielsweise hinsichtlich einer Reparatur­ fähigkeit gegenüber einem Mehrfach-Seilsystem ergeben würde.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Kopplung von mindestens zwei Raumfahrtge­ räten mittels einer Seilverbindung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Verbindung durch mindestens zwei Seilstränge (3 ₁₁; 3 ₁₂) ausgeführt ist, zwischen welchen mehrere Querverbindungen (3 ₂) vorgesehen sind, wobei die Länge der gekoppelten Seilstränge weitaus größer ist als die Abmessungen quer zu der gedachten Längsachse des Seilsystems (1).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Kopplung von mindestens zwei Raum­ fahrtgeräten (1; 2) eine Anzahl Querverbindungen (3 ₂; 3 ₂₁, 3 ₂₂, 3 ₂₃) angeordnet sind und Zugkräfte über die Querverbin­ dungen (3 ₂; 3 ₂₁ bis 3 ₂₃) übertragen werden.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Querverbindungen in Form von Querseilen oder -stegen (3 ₂; 3 ₂₁ bis 3 ₂₃) parallel zueinan­ der unter einem rechten oder beliebigen Winkel zu den Längs­ seilsträngen (3 ₁₁, 3 ₁₂) angebracht sind.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Raumfahrtgeräte (1, 2) durch mindestens drei in einer Art "Rundverbund" an­ geordnete Längsseile (3 ₁₁ bis 3 ₁₃) miteinander verbunden sind, wobei in Querschnittsansicht die mindestens drei Längsseile (3 ₁₁ bis 3 ₁₃) an den Ecken einer gleichseitigen, zweidimensionalen, geometrischen Konfiguration angeordnet sind, und daß die im Rundverbund angeordneten Längsseile (3 ₁₁ bis 3 ₁₃) durch Querverbindungen (3 ₂₁ bis 3 ₂₃) mitein­ ander verbunden sind.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Längsseile (3 ₁₁, 3 ₁₂; 3 ₁₁ bis 3 ₁₃) und die Querverbindungen (3₂; 3 ₂₁ bis 3 ₂₃) an den Verbindungsstellen miteinander verspleißt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsseile (3 ₁₁, 3 ₁₂; 3 ₁₁ bis 3 ₁₃) und die Querverbindungen (3 ₂; 3 ₂₁ bis 3 ₂₃) mittels elastischer Flansche miteinander verbunden sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsseile (3 ₁₁, 3 ₁₂; 3 ₁₁ bis 3 ₁₃) und die Querverbindungen (3 ₂; 3 ₂₁ bis 3 ₂₃) durch Klemmen starr miteinander verbunden sind.

8. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Längsseile (3 ₁₁, 3 ₁₂; 3 ₁₁ bis 3 ₁₃) und die Querverbindungen (3 ₂; 3 ₂₁ bis 3 ₂₃) an den Verbindungsstellen miteinander verklebt sind.

9. Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß zur elastischen Kopplung von Raumfahrtgeräten (1, 2) die Längsseilstränge (3 ₁₁ bis 3 ₁₃) elastisch ausgeführt sind.

10. Verwendung einer Vorrichtung zur Kopplung von Raumfahrt­ geräten nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Reparatur eines beschädigten Mehrfach-Seilsystems (3), indem entlang der un­ beschädigten Abschnitte des Mehrfach-Seilsystems (3) ein Re­ paraturfahrzeug (Space-Crawler) (5) zur Reparatur der be­ schädigten Stelle bis zu der defekten Stelle geführt wird.