DE60302986T2

DE60302986T2 - Gelenkige Sonnenzellenpanelanordnung und Raumfahrzeug

Info

Publication number: DE60302986T2
Application number: DE60302986T
Authority: DE
Inventors: Xavier Reutenauer; Philippe Samson
Original assignee: Alcatel SA; Nokia Inc
Current assignee: Alcatel Lucent SAS
Priority date: 2002-10-29
Filing date: 2003-10-17
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2023-10-18
Also published as: US7513461B2; FR2846298A1; US20060049317A1; DE60302986D1; WO2004039673A1; JP2006517487A; ATE314256T1; EP1415909B1; EP1415909A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf den Einsatz von Solarzellenpanelen eines Raumfahrzeugs, beispielsweise, jedoch nicht beschränkt auf einen Satelliten in einer Erdumlaufbahn.
Unter „Solarzellenpanel" versteht man in diesem Zusammenhang eine Einheit aus einer ebenen Anordnung dieser Panele, die aktive optische, thermische oder photovoltaische Oberflächen aufweisen, sowie insbesondere:

– Halteplatten für ein Gitter aus identischen oder unterschiedlichen Fotoelementen, die Sonnenenergie in elektrische Energie umwandeln,
– Reflektorplatten, die die Solarstrahlung mit Hilfe einer Beschichtung mit entsprechenden Eigenschaften auf den genannten Platten konzentrieren,
– Platten, die aufgrund ihrer thermisch-optischen Oberflächen-Eigenschaften eingesetzt werden (Abstrahlbleche).

Die Solarzellenpanele können in den unterschiedlichsten Konfigurationen ausgeführt werden. Typischerweise handelt es sich um eine Abfolge in Längsrichtung, parallel zu der Richtung, die sich vom Rumpf des Raumfahrzeugs entfernt, und um die sich die Solarzelle drehen soll, um der Sonne zu folgen. Um die verfügbare elektrische Leistung zu steigern, wurde jedoch vorgeschlagen, neben den vorgenannten Panelen zusätzliche, seitliche Panele anzubringen. Es sind auch Konfigurationen bekannt, in denen die Panele quer verlaufend angeordnet sind, d.h. in einer quer zur vorgenannten Längsrichtung verlaufenden Richtung, in der sich der Bügel oder Abstandsarm („yoke" auf Englisch) erstreckt, der die Solarzelle mit dem Rumpf des Raumfahrzeugs verbindet, und um den sich die Solarzelle drehen soll, um der Sonne zu folgen.
Beim Start ist diese Solarzelle gefaltet und ihre Panele sind in einer als geschichtete Konfiguration oder Stapel bezeichneten Konfiguration aufeinander gestapelt.
Bei der Inbetriebnahme der Solarzelle, wenn es sich bei dem Raumfahrzeug beispielsweise um einen Satelliten handelt, der in seine Umlaufbahn gebracht wird, ist die Entfaltung der Panelstapel erforderlich: Man spricht dann von Aufstellung.
Um von der Stapelkonfiguration in die entfaltete Konfiguration zu wechseln, in der die Solarzellenpanele praktisch in einer Ebene angeordnet sind, sind die Panele jeweils paarweise mit Gelenken verbunden, entweder mit Hilfe von Gelenken, die aneinander stoßende Gelenkelemente aufweisen, die um eine Schwenkachse herum gelagert sind und jeweils an einem der beiden aneinander stoßenden Panele befestigt sind, oder mit Hilfe von Gelenken, die die parallelen Kanten der Panele miteinander verbinden.
Die erstgenannten Gelenke dienen im Allgemeinen dazu, die aufeinander folgend in Längsrichtung angeordneten Panele miteinander zu verbinden (Reihenpanel), während die als Zweites beschriebenen Panele im Allgemeinen dazu verwendet werden, die seitlichen Panele mit den Reihenpanelen zu verbinden.
Im Allgemeinen sind die Gelenke, die derzeit in Solarzellenpanelen eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Teilen, die miteinander in Kontakt kommen, Reibung vorhanden ist. Derartige Gelenke benötigen eine Schmierung, die aufgrund der extremen Temperatur- und Vakuumbedingungen, denen der Satellit beim Start und anschließend nach dem Einlenken in die Umlaufbahn ausgesetzt ist, nur sehr schwer durchzuführen ist. Unter diesen Bedingungen neigen die Materialien dazu, sich von selbst zu verschweißen oder festzufressen, wodurch die Gefahr besteht, dass sich die Panele nicht entfalten.
Außerdem gewährleisten die derzeitigen Gelenke die Entfaltung der Panele im Allgemeinen mit Hilfe eines speziellen Motorantriebs. Die beträchtliche, verteilte Reibung in diesen Gelenken erfordert den Einsatz eines leistungsfähigen Motorantriebs.
Um eine Verriegelung der Reihenpanele in der entfalteten Konfiguration zu gewährleisten, sind die Panelgelenke außerdem im Allgemeinen mit einem Verriegelungsmechanismus ausgerüstet, der aus einer Vorrichtung zur Arretierung der Drehbewegung besteht, die am ersten der beiden aneinander stoßenden Elemente montiert ist und mit dem zweiten der beiden aneinander stoßenden Elemente zusammenwirkt, um die Verriegelung der beiden entsprechenden Panele in der entfalteten Konfiguration für diese beiden Panele zu gewährleisten. Diese Arretierungsvorrichtung dreht sich zusammen mit einer Lasche, die drehbar auf dem ersten der aneinander stoßenden Elemente montiert ist und deren Drehung zeitweilig durch Rückstellung des Anschlags an einer Umfangsfläche eines Elements, das sich gemeinsam mit dem zweiten der beiden aneinander stoßenden Elemente dreht, verriegelt ist. Die Umfangsfläche ist so konfiguriert, dass die Lasche nach Ausführung der entfalteten Konfiguration der beiden entsprechenden Panele aus der Umfangsfläche gleitet und sich dreht, um die Arretierungsvorrichtung in Kontakt mit dem zweiten der beiden aneinander stoßenden Elemente zu bringen und die Verriegelung der beiden Panele in der entfalteten Konfiguration zu gewährleisten.
Im Dokument US 3.386.128 wird ein Gelenk mit Kunststoffblatt zur selbstgesteuerten Verriegelung der beiden, miteinander verbundenen Panele beschrieben. Derartige Gelenke werden jedoch an den Enden der Panele befestigt und sind daher auf ihre mechanische Funktion beschränkt. Die Erfindung aus dem Dokument US 6.343.442 in Bezug auf eine Solarzelle mit flexiblen Verbindungen zwischen den Solarzellenpanelen weist das gleiche, oben beschriebene Problem auf.
Ziel der Erfindung ist daher eine Gelenkanordnung aus Solarzellenpanelen, die die Einsatzaufgabe nicht durch ihr Gewicht beeinträchtigt, indem sie die Anzahl an mechanischen Elementen auf das absolut erforderliche Minimum beschränkt und indem sie den Einbau von Gelenken optimiert, indem sie ihnen zusätzliche Funktionen überträgt.
Zu diesem Zweck ist der Gegenstand der Erfindung eine Gelenkanordnung, die aus mindestens zwei aneinander stoßenden Panelen einer Solarzelle gebildet wird, die jeweils paarweise mit Gelenken verbunden sind, um durch eine Schwenkbewegung von einer Stapelkonfiguration, in der die Panele aufeinander gestapelt sind, in eine entfaltete oder aufgestellte Konfiguration zu wechseln, in der die Panele praktisch in einer Ebene angeordnet sind, wobei die beiden Panele durch ein Gelenk miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Gelenk aus mindestens einem Federblatt besteht,

– wie beispielsweise einem Carpentier-Gelenk,
– in der Stapelkonfiguration und in der Aufstellphase erzeugt diese ein permanentes Antriebsmoment, das die Panele in die entfaltete Konfiguration bewegt,
– und in der entfalteten Konfiguration arretiert sie die Panele mechanisch in der letztgenannten Konfiguration.

Auf diese Weise bietet die Gelenkanordnung der Panele gemäß der Erfindung die Möglichkeit, einen mechanischen Aufbau im Bereich der Panelgelenke zu erreichen, der im Hinblick auf das Gewicht optimiert ist.
Es ist somit möglich, die Aufstellkinematik der Reihen- und/oder Seitenpanele so auszuführen, dass die Öffnung eines Panels von selbst vorgenommen wird, ohne eine zusätzliche motorisierte Vorrichtung, und zwar dank einer mechanisch einfachen und leichten Vorrichtung, wie sie das Carpentier-Gelenk darstellt, das die oben genannten Vorteile aufweist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass ein solches System zum Beispiel gegebenenfalls auf die Aufrichtung von Reihen- oder Seitenpanelen in Bezug zueinander übertragen werden könnte.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung besteht das genannte Gelenk zwischen zwei aneinander stoßenden Panelen ausschließlich aus Carpentier-Gelenken.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung erstrecken sich die genannten Carpentier-Gelenke unter den Panelen, die sie verbinden.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Vielzahl an Carpentier-Gelenken, die die Verbindung zwischen zwei aneinander stoßenden Panelen bilden, derart ausgeführt, dass die Carpentier-Gelenke jeweils kreuzweise nacheinander angeordnet sind, damit diese bei der Faltung von zwei aneinander stoßenden Panelen jeweils entgegengesetzte Antriebsmomente aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung erfolgt die Weiterleitung des Leistungsstroms an die einzelnen Panele mittels einer Kabeldecke, in der ein Material eingesetzt wird, das die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist wie ein Carpentier-Federblatt.
Am häufigsten wird die Sequenz zur Aufstellung der Panale elektrisch durchgeführt, unter Einsatz pyrotechnischer Vorrichtungen, wie beispielsweise pyrotechnischer Scheren, um die Halteplatten von den Panelen in der Stapelkonfiguration zu lösen. Zu diesem Zweck sprengen die pyrotechnischen Vorrichtungen zum gegebenen Zeitpunkt die Sicherungsriegel der Halteplatten, wodurch die Panele der Stapelkonfiguration für die entfaltete Konfiguration freigegeben werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist das Fahrzeug mit Arretierungsschiebern für die Panele in der Stapelkonfiguration ausgerüstet, und in der gestapelten Konfiguration befinden sich die genannten Schieber in parallel zu den Ebenen der Panele verlaufenden Ebenen, wobei jeder Schieber durch mindestens ein Carpentier-Gelenk mit einer festen Struktur des Fahrzeugs verbunden ist, wobei das genannte Carpentier-Gelenk so angeordnet ist, dass es ein Antriebsmoment ausübt, das die Schieber aus dem Bereich zur Entfaltung der Panele befördert.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung werden Geometrie und Oberfläche der Schieber so gewählt, dass die Schieber in der gestapelten Konfiguration die Oberfläche der oberen Panele nur teilweise bedecken.
Die Erfindung hat außerdem ein Raumfahrzeug zum Gegenstand, insbesondere einen Satelliten, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Gelenkeinheit gemäß der Erfindung beinhaltet.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden unter Bezug auf die anhängenden Zeichnungen detailliert beschrieben, wobei:
1 stellt eine Satelliten-Tragfläche dar, bestehend aus einer Solarzellenpanel-Gelenkeinheit in entfalteter Konfiguration gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung.
2 stellt die Satelliten-Tragfläche gemäß einem Schnitt A-A aus 1 dar, wobei sich die Tragfläche in der gefalteten Konfiguration befindet.
3 stellt die Tragfläche des Satelliten gemäß einem Schnitt C-C aus 2 dar.
Im vorliegenden Patentantrag sind die Elemente, die ähnliche Funktionen erfüllen, mit identischen Referenznummern gekennzeichnet.
In 1 bis 3 ist eine Gelenkeinheit 1, bestehend aus vier Solarzellenpanelen, nur schematisch und auszugsweise dargestellt.
Die übrigen Panele dieser Solarzelle sowie der restliche Teil des Satelliten wurden aus Gründen der Deutlichkeit in den Abbildungen nicht dargestellt.
Die Gelenkeinheit 1 ist über einen Bügel 3 mit einem Drehmechanismus 2 für die Einheit verbunden.
Die Einheit 1 umfasst vier feste, ausfaltbare Panele, in den Abbildungen mit 4 bis 7 bezeichnet.
Die Panele sind jeweils paarweise mit Gelenken verbunden, um durch Schwenken von der in 2 und 3 dargestellten Stapelkonfiguration, in der diese Panele aufeinander gestapelt sind, in die entfaltete Konfiguration aus 1 zu wechseln, in der die Panele praktisch in einer Ebene angeordnet sind.
In der unter Bezug auf 1 bis 3 beschriebenen Ausführungsvariante handelt es sich bei den Panelen, die eine Panelanordnung in Längsrichtung (Reihenpanele) bilden, um die Panele 4 bis 7. Diese sind jeweils paarweise durch Gelenke miteinander verbunden, und zwar mit Hilfe von Carpentier-Gelenken 11, wobei jedes dieser Gelenke an jeder Seite mit einer der beiden parallelen Kanten der angrenzenden Panele verbunden ist. Diese Carpentier-Gelenke 11 bieten, wie im Folgenden erläutert wird, einen eigenen Antrieb zur Entfaltung der Panele, die sie miteinander verbinden, und zwar mit jeweils drei Gelenken pro Parallelkanten-Paar.
Natürlich stellt diese Anzahl an Gelenken in keiner Weise eine Einschränkung dar.
Es ist darauf hinzuweisen, dass der Begriff „Carpentier-Gelenk" vom Fachmann üblicherweise verwendet wird, um das mechanische Funktionsprinzip von Antrieb und Verriegelung in Bezug auf ein Federblatt zu beschreiben. Im Folgenden entspricht daher die Verwendung des Begriffs „Carpentier-Gelenk" einem einzelnen Federblatt, ohne sonstige, zusätzliche, mechanische Vorrichtung, mit Ausnahme gegebenenfalls der Vorrichtungen zur Befestigung der Blätter am Panel oder den Dünnschichtzellen.
Es ist notwendig, dass aus der vorliegenden Beschreibung eindeutig ersichtlich wird, dass die Federblätter die einzigen Verbindungselemente zwischen zwei Panelen darstellen. In diesem Punkt ist die Erfindung interessant, da die Funktionen von Eigenantrieb und Verriegelung von ein und demselben, Platz sparenden Element erfüllt werden.
In 2 und 3 werden die aufeinander gestapelten Panele von den Halteplatten 8 fixiert, die die Aufgabe haben, die Panele in der gestapelten Konfiguration festzuhalten. Diese Platten werden wiederum von Riegeln 9 in dieser Position gehalten, die an einer festen Struktur des Satelliten montiert sind (nicht abgebildet). Es ist darauf hinzuweisen, dass die Carpentier-Gelenke in dieser letztgenannten Position bei jedem Faltvorgang ein Krümmungsprofil 110 bilden, da sie durch den Haltedruck der Platten komprimiert werden. Die Carpentier-Gelenke 10 funktionieren somit in der Biegerichtung und gegen die Platten wird eine Zugkraft angewandt.
Um die Entfaltung der Panele auszulösen, werden die Riegel mit Hilfe von pyrotechnischen Scheren (nicht abgebildet) gesprengt. Auf diese Weise werden die Platten unter dem Einfluss der Carpentier- Gelenke 10, die die Platten mit der Struktur verbinden, zu einer Drehung um 90° gebracht, wodurch die Platten aus dem Bereich zur Entfaltung der Panele bewegt werden.
Zu diesem Zeitpunkt werden die Halteplatten gelöst und das Antriebsmoment, das in den Carpentier-Gelenken vorhanden ist, gewährleistet automatisch die Entfaltung der Panele, wie in 1 dargestellt. Sobald sich diese in der entfalteten Position befinden, werden die Carpentier-Gelenke vollkommen gerade ausgerichtet und gewährleisten die Verriegelung der Panele in dieser Position.
Gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung ist die Vielzahl an Carpentier-Gelenken, die die Verbindung zwischen zwei aneinander stoßenden Panelen bilden, derart ausgeführt, dass die Carpentier-Gelenke 11 und 11' jeweils kreuzweise nacheinander angeordnet sind, damit diese bei der Faltung von zwei aneinander stoßenden Panelen jeweils entgegengesetzte Antriebsmomente aufweisen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass Geometrie und Oberfläche der Platten so gewählt wurden, dass diese die Oberfläche des obersten Panels 4 nur teilweise bedecken. Auf diese Weise wird die Trägheit der Tragfläche erheblich reduziert.
Die Panele beinhalten Solarzellen, vorzugsweise Solarzellen, die mit der dem Fachmann allgemein bekannten, so genannten „Dünnschicht-Technologie" (vom englischen „Thin Film") ausgerüstet sind. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung umfassen die Panele derartige Dünnschichtzellen und zwischen den verschiedenen Panelen ist im Hinblick auf die gestapelte Konfiguration keine eingeschobene Schutzfolie vorgesehen.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung, die in 1 schraffiert dargestellt ist, verlaufen drei Carpentier-Federblätter 111–113 entlang der Hauptachse der Tragflächenentfaltung durch die Tragfläche und treffen im Bereich der Gelenke 11, 11' aufeinander. Diese Ausführung weist den vorgenannten Vorteil auf, die Funktion als Carpentier-Gelenk im Bereich der Gelenke 11, 11' sowie die zusätzliche Funktion zur flexiblen Halterung für das „Dünnschicht"-Substrat zu erfüllen.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Weiterleitung des Stroms zwischen den einzelnen Panelen gemäß einer anderen vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung über eine Kabeldecke erfolgt, in der ein CuBe-Material, eine Kupferlegierung vom Typ CuBe, eingesetzt wird, das die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist wie ein Carpentier-Federblatt.

Claims

Gelenkeinheit (1) für eine Solarzelle eines Raumfahrzeugs, die aus mindestens zwei aneinander stoßenden Panelen (4–7) gebildet wird, die jeweils paarweise mit einem Gelenk verbunden sind, um durch Schwenken von einer gestapelten Konfiguration, in der die Panele aufeinander gestapelt sind, in eine entfaltete oder aufgerichtete Konfiguration zu wechseln, in der die Panele praktisch in einer Ebene angeordnet sind, wobei die beiden Panele durch mindestens ein Gelenk miteinander verbundenen sind, wobei das genannte Gelenk lediglich aus einem Carpentier-Federblattgelenk (11) besteht, so dass: – es in der gestapelten Konfiguration und in der Entfaltungsphase ein Antriebsmoment erzeugt, das die Panele in die entfaltete Konfiguration bringt, – und es in der entfalteten Position einen mechanischen Rückhalt der Panele in dieser letztgenannten Position bietet, dadurch gekennzeichnet, dass das genannte Carpentier-Federblattgelenk unter den Panelen verläuft, die es miteinander verbindet, um eine Haltestruktur für die Panele zu bilden, und dadurch, dass die Weiterleitung des Leistungsstroms zwischen den einzelnen Panelen durch eine Kabeldecke gewährleistet wird, in der ein Material eingesetzt wird, das die gleichen mechanischen Eigenschaften aufweist wie ein Carpentier-Federblattgelenk.
Einheit gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl der Carpentier-Federblattgelenke, die die Verbindung zwischen zwei aneinander stoßenden Panelen bilden, derart ausgeführt sind, dass die Carpentier-Federblattgelenke (11, 11') kreuzweise angeordnet sind, damit sie beim Zusammenfalten von zwei aneinander stoßenden Panelen jeweils entgegengesetzte Antriebsmomente aufweisen.
Einheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfahrzeug Halteplatten (8) für die Panele in der gestapelten Konfiguration umfasst, sowie dadurch, dass die genannten Platten in der gestapelten Konfiguration in einer Ebene parallel zu der Panelebene angeordnet sind, wobei jede Platte durch mindestens ein zweites Carpentier-Federblattgelenk (10) mit einer festen Struktur des Raumfahrzeugs verbunden ist, wobei das zweite Carpentier-Federblattgelenk so ausgeführt ist, dass es ein Antriebsmoment ausübt, das die Platten aus dem Bereich zur Entfaltung der Panele bringt.
Einheit gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Geometrie und Oberfläche der Platten so gewählt werden, dass die Platten in der gestapelten Konfiguration die Oberfläche des obersten Panels nur teilweise bedecken.
Raumfahrzeug, insbesondere ein Satellit, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Gelenkeinheit gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 umfasst.