DE69608930T2

DE69608930T2 - Hybride Solarpaneeleinheit

Info

Publication number: DE69608930T2
Application number: DE69608930T
Authority: DE
Inventors: Varouj G. Baghdasarian
Original assignee: Space Systems Loral LLC; Loral Space Systems Inc
Current assignee: Lanteris Space LLC
Priority date: 1995-07-20
Filing date: 1996-07-19
Publication date: 2001-01-18
Anticipated expiration: 2016-07-20
Also published as: DE69608930D1; EP0754625B1; US5785280A; EP0754625A1; JPH0930499A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im allgemeinen Kommunikationssatelliten, Raumstationen und dergleichen, die Solarpaneeleinheiten als hauptsächliche Energiequelle benutzen. Insbesondere betrifft die Erfindung eine hybride Solarpaneeleinheit, die in einem Ausführungsbeispiel eine Kombination von starren Solarpaneelen mit halb-starren Solarpaneelen und in einem anderen Ausführungsbeispiel mit flexiblen Solarpaneelen verwendet.
Die Hauptenergiequelle für Kommunikationssatelliten und Raumfahrzeuge wird von Solareinheiten bereitgestellt, die eine Art Photovoltaic-Solarzellen verwenden. Während des Starts sind die Einheiten normalerweise am Satelliten verstaut, und entweder nach dem Abheben vom Abschußfahrzeug oder wenn sie sich in ihrer endgültigen Umlaufbahn befinden, ausgefaltet.
Eine Solareinheit ist so gestaltet, dass sie den speziellen baulichen und elektrischen Anforderungen eines bestimmten Satelliten genügt. Neben den Energieanforderungen an eine Einheit, die die Größe der Einheit bestimmen, ist eines der mechanischen Erfordernisse der Einheit ihre minimale Entfaltungsdauer und die Festigkeit, den Abschuß und die Belastungen beim Transport in die Umlaufbahn zu überstehen. Die Entfaltungsgeschwindigkeit und die Festigkeit sind Funktionen des Baumaterials, der Größe und der Masse. Im allgemeinen gilt, dass je schwerer die Einheit ist, desto langsamer ist die Geschwindigkeit und desto größer ist die Störbelastung bei Manövern des Raumfahrzeugs. Hochleistungssatelliten benötigen große Einheiten, und große Einheiten sind schwer, weniger steif und benötigen mehr Packvolumen beim Start.
Es wurden ständig Verbesserungen beim Wirkungsgrad der Solarzellen und bei den Materialien gemacht, die zur Herstellung der Solarzellen verwendet werden, wodurch größere und effizientere Solareinheiten möglich wurden. Jede Einheit ist jedoch für eine bestimmte Anwendung und für bestimmte Erfordernisse ausgelegt. Es gibt eine Reihe verschiedener Arten von Zellen und verschiedene Bauarten für die Solareinheiten, wobei jede eine unterschiedliche Form, Größe, ein unterschiedliches Entfaltungskonzept und unterschiedliche Leistungseigenschaften hat. Im allgemeinen besteht der Aufbau der kleineren Einheiten (die in den meisten Kommunikationssatelliten verwendet werden) aus einem Joch und wenigen starren Paneelen, die, wie in Fig. 1 gezeigt ist, gelenkig miteinander verbunden sind, wogegen der Aufbau größerer Einheiten (die in Raumfahrtprojekten, wie z. B. Raumstationen verwendet werden) aus großen flexiblen Paneelmatten besteht, die zwischen zwei starren Balken mittels eines ausfahrbaren starren Trägers, wie er in Fig. 2 gezeigt ist, ausgebreitet sind. Jede Art hat ihre Vor- und Nachteile. Starre Einheiten sind steifer, leichter und bei niedrigen Energieanforderungen (weniger als 5 bis 8 KW) billiger, wogegen flexible Matteneinheiten weniger starr, schwer und für hohe Energieanforderungen (mehr als 20 KW) billiger sind.
Darüber hinaus müssen starre Paneele derart ausgelegt sein, dass sie die Belastungen beim Start überstehen, und sie benötigen üblicherweise mehr Stauraum als flexible Einheiten. Einige Satelliten benötigen während der Überbringungsphase in die Umlaufbahn teilweise Energie von der Einheit, wodurch die Einheit entweder vollständig oder teilweise ausgefaltet sein muß. Starre Einheiten können beim Transport in die Umlaufbahn teilweise ausgefaltet sein, wogegen Matteneinheiten üblicherweise derart ausgelegt sind, dass sie in ihrer Betriebsumlaufbahn vollständig ausgefaltet sind.
Da weder starre Einheiten noch flexible Einheiten einander einfach ersetzen und kostengünstige Energie für den Zwischenbereich (10 bis 20 KW, in dem die Anforderungen an zukünftige Kommunikationssatelliten liegen) bereitstellen können, werden Einheiten benötigt, die teilweise beim Transport in die Umlaufbahn entfaltet werden können, die leicht und steif sind und darüber hinaus noch kostengünstige Energie im Bereich zwischen 10 und 20 KW bereitstellen können.
Die vorliegende Erfindung wurde vor dem Hintergrund des gerade diskutierten Standes der Technik entwickelt und nun für die Praxis eingerichtet.
Der Artikel "The ESA Lightweight Hybrid Solar Array" in den Abhandlungen des ersten europäischen Symposiums über Photovoltaic Generatoren im Raum, 11-13 September 1978, Noordwijk, Niederlande, Seiten 247-253 offenbart eine Solareinheit, die starre und nicht-starre Solarpaneele kombiniert. Die starren Solarpaneele stellen beim Transport in die Umlaufbahn Energie bereit, und während des Starts und des Transports in die Umlaufbahn bleiben die nicht-starren Paneele verstaut. Die nicht-starren Paneele werden in der Betriebsumlaufbahn ausgefaltet.
Der Artikel "The Retractable Ultra-lightweight (ULP) Solar Array for Retrievable Space Platforms" in Aircraft Engineering, Band 56, Nr. 1, Januar 1984, Seiten 2-5 offenbart Solarpaneeleinheiten mit zusammenklappbaren Paneelabschnitten.
Der Artikel "Solar Array Designs for Columbus Elements" in den Abhandlungen der European Space Power Konferenz, Band 2, August 1989, Madrid, Spanien, Seiten 573-584 offenbart Solarpaneelflügel, die als Schwenkabschnitte angeordnet sind, und beschreibt Ausfaltsequenzen für diese Flügel.
Erfindungsgemäß ist eine hybride Solarpaneeleinheit vorgesehen, die zur Bewegung zwischen einer verstauten Stellung in der Nähe einer Satellitenseitenwand und einer entfalteten Stellung, die sich von der Satellitenseitenwand weg erstreckt, an der Satellitenseitenwand befestigt ist, wobei die Solarpaneeleinheit ein Joch, das schwenkbar an der Satellitenseitenwand angebracht ist, ein erstes, starres Solarpaneel, das schwenkbar am Joch angebracht ist, ein zweites, starres Solarpaneel, das schwenkbar am ersten starren Solarpaneel entlang einer vom Joch beabstandeten Achse angebracht ist, eine dritte, nicht-starre Solarpaneelbaugruppe, die mit dem ersten und zweiten starren Solarpaneel verbunden ist, und eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Solarpaneeleinheit zwischen der verstauten Stellung und der entfalteten Stellung aufweist, wobei die nicht-starre Solarpaneeleinheit in der verstauten Stellung schichtweise zwischen den beiden starren Paneelen angeordnet ist.
Das nicht-starre Paneel kann halb-starr oder flexibel sein.
Um die Anforderungen an das partielle Ausfalten und an die Steifigkeit zu erfüllen, muß der Aufbau der Einheit in der teilweise ausgefalteten Stellung starr sein. Um die Anforderungen an die Betriebsleistung zu erfüllen, muß die Einheit groß sein. Obwohl die Einheit zum Einhalten der Position in der Umlaufbahn starr sein muß, muß sie nicht besonders stabil sein, um Störkräften, die bei Manövern zum Einhalten der Position auftreten, zu widerstehen. Daher wird eine Einheit mit einem minimal starren Aufbau vorgeschlagen, um die Anforderungen an die Steifigkeit und Festigkeit zu erfüllen, und mit einem maximal flexiblen bzw. weniger starren Aufbau für die endgültige Umlaufbahn und den Betrieb.
Die vorgeschlagene Einheit umfaßt ein Joch, zwei erste, d. h. starre Paneele, und entweder mehrere zweite halb-starre leichte Paneele oder flexible Matten, die sich zwischen leichten, starren Elementen erstrecken. Da halb-starre Paneele oder flexible Matten nicht dafür ausgelegt sind, den Belastungen beim Start standzuhalten, müssen sie während des Starts und der Transportphase in die Umlaufbahn geschützt werden. Erfindungsgemäß erfolgt dieser Schutz durch zwei erste Paneele bis zum vollständigen Ausfalten in der endgültigen Umlaufbahn, in der die Anforderungen an die Festigkeit wesentlich geringer sind.
Eine mögliche Konstruktion der vorgeschlagenen Einheit ist eine Einheit mit sieben Paneelen, die in den Fig. 3 und 4 entfaltet bzw. verstaut gezeigt ist. Das Entfaltungsjoch und die zwei ersten Paneele sind gelenkig miteinander verbunden, so dass sie zeitweilig ausgefaltet werden können, wobei die zweiten Paneele verstaut und zwischen den zwei ersten Paneelen eingeklemmt sind. Wenn sich der Satellit einmal in seiner endgültigen Umlaufbahn befindet, können die zweiten Paneele nacheinander in ihre vollständig ausgebreitete Anordnung ausgefaltet werden.
Eine Reihe verschiedener Niederhalt- und Freigabeeinrichtungen können verwendet werden, um die Einheit an der Satellitenseitenwand zu verstauen und die zweiten Paneele innerhalb der ersten Paneele fest zu klemmen (obwohl diese Hilfsmittel üblich sind und nicht im Zusammenhang mit dem vorgeschlagenen Gegenstand stehen).
Das Ausfalten der zweiten Paneele bei der Ausführungsform mit flexiblen Matten kann in Abhängigkeit von der Konfiguration und der Art der verwendeten Zellen unterschiedlich sein.
Einige der Vorteile und Merkmale der vorgeschlagenen Gestaltung der erfindungsgemäßen Einheit können wie folgt zusammengefaßt werden:
(a) bestehende starre Paneeleinheiten können einfach durch die Erfindung ersetzt werden, wodurch dem Satelliten durch seine größere verfügbare Zellenfläche mehr Energie zur Verfügung gestellt wird;
(b) während der Transportphase in die Umlaufbahn wird angemessen viel Energie bereitgestellt;
(c) die zweiten Paneele müssen nicht so steif und stabil sein wie die Hauptpaneele, wodurch Gewicht und Kosten gespart werden können;
(d) eine teilweise ausgefaltete Anordnung kann die Belastungen beim Transport in die Umlaufbahn wegen ihres näher am Satelliten liegenden Schwerpunkts (C. G.) einfacher aushalten;
(e) eine vollständig ausgefaltete Einheit kann die Anforderungen an die minimale Ausfaltfrequenz wiederum aufgrund ihres näher am Satelliten liegenden Schwerpunktes (C. G.) leichter erfüllen;
(f) obwohl die zweiten Paneele nacheinander ausgefaltet werden müssen, benötigen sie keine komplizierten und empfindlichen geschlossenen Regelkreise zur Koordination des Ausfaltens, wodurch das Design und die Integration einfacher werden;
(g) eine Entfaltungszwangsführvorrichtung ist nicht erforderlich;
(h) ausgereifte Hardware, d. h. bestehende, qualifizierte und flugtaugliche Hardware kann für viele Bestandteile verwendet werden (einschließlich der Gelenke, Paneelbefestigungen, Niederhalter und dergleichen);
(i) das erfindungsgemäße System kann wegen des Wegfalls herkömmlicher langer geschlossener Regelkreissysteme und ihrer zugehörigen Entfaltungszwangsführeinrichtungen leicht und mit geringeren Kosten hergestellt werden; und
(j) das erfindungsgemäße System paßt in die bestehende Umhüllung des Abschußfahrzeugs.
Außerdem wird eine neu vorgeschlagene Zwangsführeinrichtung offenbart, die:
(a) einfach, zuverlässig und sehr billig ist;
(b) nahezu keine zusätzliche Hardware und keine umfangreichen Qualifizierungstests erfordert, um sie an bestehenden Einheiten anzuwenden;
(c) die momentan an den meisten starren Solarpaneeleinheiten verwendeten komplizierteren und teureren Entfaltungszwangsführeinrichtungen einfach ersetzen kann; und
(d) die Kosten einer Einheit wesentlich reduzieren kann.
Andere und weitere Merkmale, Vorteile und Vorzüge der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen besser verständlich. Es sollte beachtet werden, dass die vorhergehende allgemeine Beschreibung und die nachfolgende detaillierte Beschreibung beispielhaft und erläuternd sind, die Erfindung jedoch nicht einschränken sollen. Die beigefügten Zeichnungen, die darin eingearbeitet sind und einen Teil dieser Erfindung darstellen, zeigen eine der erfindungsgemäßen Ausführungsformen und dienen, zusammen mit der Beschreibung, zur Erläuterung der allgemeinen erfindungsgemäßen Grundsätze. In der Beschreibung sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Satelliten mit starren Solarpaneelen;
Fig. 1a eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Teils des in Fig. 1 gezeigten bekannten Satelliten;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines bekannten Satelliten mit flexiblen Solarpaneelen;
Fig. 2a, eine perspektivische Ansicht des in Fig. 2 gezeigten bekannten Satelliten;
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer vollständig ausgefalteten erfindungsgemäßen hybriden Solarpaneeieinheit;
Fig. 4 eine Seitenansicht einer verstauten erfindungsgemäßen hybriden Solarpaneeleinheit;
Fig. 5 eine vergrößerte Schnittansicht, im wesentlichen entlang der Linie 5-5 in Fig. 7, von Teilen, die in den Fig. 3 und 4 dargestellt sind, um eine entscheidende Konstruktion der Erfindung zu zeigen;
Fig. 6 und 7 Seitenansichten zur Darstellung aufeinanderfolgender Stellungen der erfindungsgemäßen hybriden Solareinheit, während sie ausgefaltet wird;
Fig. 8 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Verriegelungsmechanismus für benachbarte Paneele der erfindungsgemäßen hybriden Solareinheit, bei der sich die Paneele in der verstauten Position befinden und der Verriegelungsmechanismus in der offenen Stellung ist;
Fig. 9 eine teilweise geschnittene Seitenansicht ähnlich Fig. 8, bei der sich die benachbarten Paneele in der ausgefalteten Position befinden und der Verriegelungsmechanismus in der verriegelten Stellung ist;
Fig. 10 eine vergrößerte seitliche Schnittansicht einer Biegegelenkanordnung zum Verbinden benachbarter Paneele, in der aneinander angrenzende Paneele im verstauten Zustand gezeigt sind;
Fig. 11 eine vergrößerte seitliche Schnittansicht einer Biegegelenkanordnung zum Verbinden benachbarter Paneele, in der aneinander angrenzende Paneele im ausgefalteten Zustand gezeigt sind;
Fig. 12 eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Bauteils, das in der Biegegelenkanordnung der Fig. 10 und 11 verwendet wird;
Fig. 13 eine vergrößerte Vorderansicht einer anderen Ausführungsform der Erfindung, bei der sich bestimmte Komponenten in der verstauten Stellung befinden;
Fig. 14 eine vergrößerte Seitenansicht der in Fig. 13 dargestellten Ausführungsform;
Fig. 15 eine vergrößerte Seitenansicht ähnlich Fig. 14, bei der sich Komponenten in der ausgefalteten Stellung befinden;
Fig. 16 eine perspektivische Ansicht einer vollständig ausgefalteten modifizierten hybriden Solarpaneeleinheit gemäß der Erfindung; und
Fig. 16a bis 16f die aufeinanderfolgenden Zustände, die von der modifizierten hybriden Solarpaneeleinheit von Fig. 16 eingenommen werden, wenn sie von der verstauten Stellung in die ausgefaltete Stellung transformiert wird.
Im folgenden wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Vorstehend wurde bezüglich Fig. 1 bemerkt, dass kleinere Einheiten, die in den meisten Kommunikationssatelliten 20 verwendet werden, im allgemeinen ein Joch und wenige gelenkig miteinander verbundene starre Solarpaneele 24 umfassen, wogegen die in Fig. 2 gezeigten größeren Einheiten 26, die zum Beispiel für Raumfahrtstationen verwendet werden, aus mehreren großen flexiblen Paneelmatten 28 hergestellt sind, die sich zwischen zwei starren Balken 32 und verlängerbaren starren Trägern 30 erstrecken. Jede Art hat ihre Vor- und Nachteile. Starre Einheiten sind steifer, im allgemeinen leichter und bei niedrigerem Energiebedarf (weniger als etwa 5 bis 8 KW) kostengünstiger, wogegen flexible Mattenanordnungen im allgemeinen weniger starr, massiv und bei hohen Leistungsanforderungen (höher als etwa 20 KW) kostengünstiger sind.
Hinsichtlich der herkömmlichen Konstruktion von Fig. 1, bei der starre Solarpaneele 24, wie sie in Fig. 1a gezeigt sind, verwendet werden, ist das Joch 22 zum Schwenken um eine Jochgelenkachse 35 schwenkbar an einer Satellitenseitenwand befestigt, wobei ein solches Schwenken durch Lösen von aufgewickelten Federn erfolgt, die einstückig an jedem Gelenk angeordnet sind. Das Ausfalten (Geschwindigkeit und Zeit) wird durch wahlweises Betätigen eines Entfaltungshaltemotors 36 gesteuert. Der Motor 36 wird wahlweise betätigt, um eine Entfaltungshaltewelle 38 zu drehen, deren eines Ende an dem Joch befestigt ist.
Eine Synchronisationsrolle 40 ist an der Satellitenseitenwand befestigt, und ein erster Satz Gelenke 42 ist zum schwenkbaren Befestigen eines ersten starren Solarpaneels 44 am Joch 22 vorgesehen, um es wechselseitig um eine erste Paneelgelenkachse 46 zu schwenken. Eine Rolle 48 des ersten starren Paneels ist am ersten starren Solarpaneel befestigt und mittig auf der ersten Paneelgelenkachse 46 angeordnet.
Ein erstes Synchronisationsseil 50 ist jeweils an der Synchronisationsrolle 40 der Seitenwand und an der Rolle 48 des ersten starren Paneels befestigt. Am Joch 22 ist eine Jochrolle 52 mittig auf der ersten Paneelgelenkachse 46 und beabstandet von der Rolle 48 des ersten starren Paneels befestigt. Ein zweiter Satz Gelenke 54 ist vorgesehen, um ein zweites starres Solarpaneel 56 zum wechselseitigen Schwenken um eine zweite Paneelgefenkachse 58 schwenkbar am ersten starren Solarpaneel 44 zu montieren. Eine Rolle 60 des zweiten starren Paneels ist wiederum am zweiten starren Solarpaneel 56 befestigt und mittig auf der zweiten Paneelgelenkachse 58 angeordnet. Ein zweites Synchronisationsseil 62 ist jeweils an der Jochrolle 52 und an der Rolle 60 des zweiten starren Paneels befestigt. Auf diese Weise werden die Ausfaltfedern in jeder Achse miteinander verbunden und können das Joch 22, das erste starre Solarpaneel 44 und das zweite starre Solarpaneel 56 in die ausgefaltete Position bewegen, in der das Joch, das erste starre Solarpaneel und das zweite starre Solarpaneel koplanar angeordnet sind und sich quer zur Satellitenseitenwand erstrecken.
Bei der herkömmlichen Konstruktion von Fig. 2 mit flexiblen bzw. Solarpaneelmatten 28 ist jedes Paneel im verstauten Zustand auf einer Achse aufgerollt, die im wesentlichen parallel zu ihren zugeordneten starren Balken 32 angeordnet ist. Für jede Solarpaneelmatte 28 können zwei Trommeln 70 aus flexiblem federartigen Material 72 (siehe Fig. 2a) vorgesehen sein. Ein freies Ende des flexiben federartigen Materials 72 ist an einem ausziehbaren Ende der flexiblen Solarpaneelmatte 28 derart befestigt, dass es die Solarpaneelmatten in einen flachen Zustand ausbreitet, wenn es aus dem verstauten Zustand freigegeben und mittels eines Motors ausgefahren wird. Gleichzeitig wird das federartige Material 72 in eine rohrförmige Form gekrümmt, wie mit Bezugsziffer 74 dargestellt ist. Die rohrförmige Form 74 des federartigen Materials 72 wird dann, wenn sie vollständig ausgestreckt ist, zum starren Träger 30, wie in Fig. 2 dargestellt ist.
In den Fig. 3 und 4, die eine Ausführungsform der Erfindung zeigen, ist eine hybride Solarpaneeleinheit 80 zum Bewegen zwischen einer verstauten Position (Fig. 4) nahe der Satellitenseitenwand und einer ausgefalteten Position (Fig. 3), die sich von der Satellitenseitenwand weg erstreckt, an der Satelfitenseitenwand 34 montiert. Die bezüglich Fig. 1 beschriebenen Komponenten sind ein integrierter Bestandteil dieser Ausführungsform. Somit umfaßt die Solarpaneeleinheit 80 das Joch 22, das schwenkbar an der Satellitenseitenwand 34 montiert ist, das erste starre Solarpaneel 44, das entlang der Gelenkachse 46 am Joch montiert ist, und das zweite starre Solarpaneel 56, das entlang der Gelenkachse 58 am ersten starren Solarpaneel montiert ist. Auch wenn er nicht in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist, so ist der Antriebsmechanismus zum Entfalten der Einheit 80 dem vorstehend bezüglich Fig. 1a beschriebenen ähnlich (d. h. Torsionsfedern einstückig gebildet mit Gelenken).
Zwei halb-starre Solarpaneele 82, 84 sind schwenkbar entlang lateraler Gelenkachsen 86 bzw. 88 am starren Solarpaneel 44 montiert, und zwei halb-starre Solarpaneele 90, 92 sind schwenkbar entlang lateraler Gelenkachsen 94 bzw. 96 am starren Solarpaneel 56 montiert. Die lateralen Gelenkachsen 94, 96 sind vorzugsweise fluchtend mit den lateralen Gelenkachsen 86 bzw. 88 angeordnet, wenn sich die hybride Solarpaneeleinheit 80 im ausgefalteten Zustand befindet.
Jedes der starren Paneele hat erfindungsgemäß einen wabenartigen Kern und eine Dicke im Bereich von etwa 1 bis 1¹/&sub2; inch, und jedes der halb-starren Paneele hat einen wabenartigen Kern und eine Dicke im Bereich von etwa 0,32 cm (¹/&sub8; inch) bis 0,95 cm (³/&sub8; inch).
Wie insbesondere in Fig. 3 gezeigt ist, umfaßt die hybride Solarpaneeleinheit 80 ein fünftes halb-starres Solarpaneel 98, das schwenkbar am zweiten starren Solarpaneel 56 entlang einer dritten Paneelgefenkachse 100 montiert ist, die von der ersten und zweiten Paneelgelenkachse 46 und 58 beabstandet, jedoch parallel dazu angeordnet ist. Für alle Schwenkverbindungen zwischen den starren Paneelen und den halbstarren Paneelen sind Gelenke 102 vorgesehen, die in geeigneter Weise beliebig aufgebaut sein können.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, umfassen das erste und zweite starre Solarpaneel 44, 56 sämtliche der halb-starren Solarpaneele in überlappender, Seite an Seite angeordneter Weise, wenn sich die Solarpaneeleinheit 80 in der verstauten Position befindet. Diese Anordnung bietet den halb-starren Paneelen während des Starts und vor dem Entfalten Schutz.
Zum vollständigen Entfalten der Einheit 80 ist zusätzlich zu dem bereits beschriebenen Antriebsmechanismus für die starren Paneele ein Antriebsmechanismus (wieder Federn) für die halb-starren Paneele vorgesehen. Zu diesem Zweck ist ein gebogenes erstes Federelement 104 (Fig. 5) auf jedem der halb-starren Solarpaneele befestigt, um zu verhindern, dass sich andere halb-starre Paneele unkontrolliert ausbreiten. Diese Federn 104 halten ein benachbartes Paneel in der verstauten Stellung, bis das Paneel mit der Feder 104 aus der Entfaltungsbahn des benachbarten Paneels heraus bewegt wurde. Dann kann sich das darunterliegende (benachbarte) Paneel entfalten. Das Drehmoment zum Entfalten wird durch seine eigenen Gelenkfedern bereitgestellt. Das Federelement 104 erstreckt sich entlang einer Kante jedes halb-starren Paneels, das bei diesem speziellen Paneel an die Gelenkachse 88 angrenzt.
Bei Betrachtung eines bestimmten Teils der Einheit 80 in Fig. 5 ist erkennbar, dass das Paneel 82 in der verstauten Stellung (Fig. 4) unmittelbar über dem Paneel 84 liegt und das Federelement 104 am Paneel 84 nahe einer freien Kante 106 fest angreift. Nach der Freigabe des Flügels und dem Betätigen des Entfaltungszwangsführmechanismus für die starren Solarpaneele, um das erste und zweite starre Solarpaneel 44, 56 aus der verstauten Position in die entfaltete Position in synchronem Ablauf (siehe Fig. 3) zu bewegen, bewegen sich die Federelemente 104 der halb-starren Solarpaneele schließlich aus dem Entfaltungsweg der anderen halb-starren Paneele heraus, wodurch die halb-starren Paneele sequentiell entfaltet werden können. Das Drehmoment zum Entfalten jedes Paneels wird wiederum durch Gelenkfedern bereitgestellt (nicht die Haltefeder, Element 104).
Es muß jedoch beachtet werden, dass ein zweites Federelement 110 ins Spiel kommt, bevor die Federelemente 104 ihre Funktion ausführen. Das zweite Federelement 110 ist am Paneel 98 befestigt und steht von einer freien Kante 112 des Paneels 98, beabstandet von seiner Gelenkachse 100, nach außen vor. Wenn sich die Einheit 80 in der in Fig. 4 gezeigten verstauten Stellung befindet, greift das Federelement 110 am Paneel 82 an und liegt nahe einer Kante 114 auf diesem auf, wobei es das Paneel 82 geschlossen und über dem Paneel 84 liegend hält. Wenn sich jedoch die Einheit 80 in die ausgebreitete oder entfaltete Stellung bewegt, wie sie in Fig. 3 gezeigt ist, wobei sie die in den Fig. 6 und 7 gezeigten aufeinanderfolgenden Zustände durchläuft, wird ein Endabschnitt des zweiten Federelements 110 immer weiter an die Kante 114 gezogen, bis es schließlich aus seiner anliegenden Position herausgleitet, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Einen Moment nach dem in Fig. 7 dargestellten Zustand rutscht das Federelement 110 über die Kante 114 des Paneels 82, wodurch das Paneel 82 und dann das Paneel 84 unter der Vorspannung ihrer zugehörigen Federn, die in ihren jeweiligen Lagern angeordnet sind, in ihre entfaltete Position schwingen können. In ähnlicher Weise, und unmittelbar danach, gibt das Öffnen des Paneels 98 dann die Paneele 90 und 92 frei, so dass sie unter der Vorspannung ihrer zugeordneten Federn, die wieder in ihren Gelenken integriert angeordnet sind, in ihre ausgefaltete Stellung schwenken.
In den Fig. 8 und 9 ist ein geeigneter Verriegelungsmechanismus 116 vorgesehen, um die starren Solarpaneele und die halb-starren Solarpaneele in der einmal erreichten entfalteten Position sicher zu halten. In den Fig. 8 und 9 ist der Verriegelungsmechanismus 116 zwischen den starren Solarpaneelen 44, 56 gezeigt, er kann aber auch genauso zwischen den starren bzw. den halb-starren Paneelen vorgesehen sein. Der Verriegelungsmechanismus 116 umfaßt ein Nockenelement 118 mit einer Rastnase 120 in seiner äußeren Fläche und ist auf dem Paneel 44 mittels eines Bolzens 122 befestigt. Ein Nockenfolger 124 ist schwenkbar auf einem Befestigungsarm 126 befestigt, der wiederum auf dem Paneel 56 mittels eines ~. · Bolzens 128 nahe der Gelenkachse 58 zwischen den Paneelen 44 und 56 angebracht ist. Der Nockenfolger 124 ist vorgespannt, so dass er an der äußeren Fläche 130 des Nockenelements anliegt, wenn sich die Solarpaneeleinheit 80 in die ausgefaltete Position bewegt, und arretiert schließlich an der Rastnase 120, wenn sich die Solarpaneeleinheit in die ausgefaltete Position bewegt. Wenn der Nockenfolger 124 an der Rastnase 120 einrückt, ist die Solarpaneeleinheit 80 permanent in der ausgefalteten Position arretiert.
Die Fig. 10-12 zeigen eine andere und vereinfachte Gelenkkonstruktion, die für die Einheit 80 verwendet werden kann. In diesem Fall können flexible Bänder 132 mittels Befestigungselementen 134 an den Paneelen 44, 56 angebracht werden. Die Bänder bestehen aus einem geeigneten Material und sind entsprechend dimensioniert, um das Bewegen der Paneele 44, 56 von der in Fig. 10 gezeigten verstauten Stellung in die in Fig. 11 gezeigte ausgefaltete Stellung zu ermöglichen. In dieser Hinsicht kann es hilfreich sein, wenn die flexiblen Bänder 132 in der in Fig. 12 gezeigten Weise longitudinal gekrümmt sind. In den Fig. 8 und 9 ist der Verriegelungsmechanismus 116 zwischen dem Joch 22 und den starren Solarpaneelen 44, 56 gezeigt, er kann aber genauso zwischen den starren bzw. den halb-starren Paneelen verwendet werden.
Zur Beschreibung einer anderen Ausführungsform der Erfindung insbesondere eines modifizierten Mechanismus zum geführten Entfalten der starren Solarpaneele 44, 56 und des Jochs 22 wird nun auf die Fig. 13, 14 und 15 Bezug genommen. Dieser modifizierte Entfaltungszwangsführmechanismus umfaßt einen Freigabe-Schrittmotor 136, der auf einer Innenfläche einer modifizierten Satellitenseitenwand 140 befestigt ist. Eine Freigabewelle 142 ragt von der Satellitenseitenwand weg und ist zur Rotation durch den Freigabemotor befestigt. Ein Vorsprungteil 144, das einstückig mit der Freigabewelle 142 gebildet ist, hat eine zylindrische Umfangsfläche und eine quer verlaufende, von dem Freigabemotor 136 beabstandete Stirnfläche 146. Ein Jochgelenk 148 ist auf der Stirnfläche 146 des Vorsprungteils angebracht, um ein Joch 150 schwenkbar auf der Satellitenseitenwand 140 zu befestigen.
Ein elastisches Element in Form einer Torsionsfeder 152 drückt das Joch 150 aus der verstauten Position (Fig. 13 und 14) in die entfaltete Position (Fig. 15). Eine Rolle 154 mit offenem Ende ist drehbar an einer radial von dem Vorsprungelement 144 beabstandeten Stelle an der Satellitenseitenwand 140 angebracht. Ein Entfaltungshalteseil 156 ist an einem Ende an der Umfangsfläche des Vorsprungelements 144 angebracht und ist an einem gegenüberliegenden Ende, vom Jochgelenk 148 beabstandet, am Joch 150 befestigt. Anfänglich erstreckt sich das Halteseil teilweise um die Rolle 154 mit offenem Ende, um das Joch in der verstauten Position (Fig. 13 und 14) zu halten. Nach der schrittweisen Rotation der Freigabewelle 142 durch den Freigabemotor 136 gibt das Halteseil das Joch allmählich frei, um sich zu entfalten und schließlich seitlich über und dann von der Rolle 154 mit offenem Ende herunter zu gleiten, wodurch die Feder 152 das Joch 150 in die entfaltete Position bewegen kann.
Nachfolgend wird eine modifizierte hybride Solarpaneeleinheit 160 bezüglich der Fig. 16 - 16F beschrieben. Wie vorstehend bezüglich der Einheit 80 erläutert wurde, ist die Einheit 160 zur Bewegung zwischen einer verstauten Position nahe der Satellitenseitenwand und einer entfalteten Position, die sich von der Satellitenseitenwand weg erstreckt, an der Satellitenseitenwand befestigt. In Fig. 16 ist die Solarpaneeleinheit 160 in der ausgefalteten Position dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform ist ein Joch 162, ähnlich dem Joch 22, zum Schwenken um eine Jochgelenkachse 164 an der Satellitenseitenwand (in dieser Figur nicht gezeigt) angebracht. Ein erstes rechteckiges starres Solarpaneel 166 (ähnlich dem Paneel 44) hat gegenüberliegende erste und zweite Seitenkanten 167, 168 und gegenüberliegende erste und zweite quer verlaufende Kanten 170, 172 und ist zum Schwenken um eine erste Paneelgelenkachse 174 schwenkbar am Joch befestigt.
Ein zweites rechteckiges starres Solarpaneel 176 hat gegenüberliegende erste und zweite Seitenkanten 178, 180 und gegenüberliegende erste und zweite quer verlaufende Kanten 182, 184. Das zweite starre Solarpaneel 176 ist schwenkbar am ersten starren Solarpaneel 166 befestigt, um es um eine zweite Paneelgefenkachse an zwei benachbarten der zweiten bzw. ersten quer verlaufenden Kanten 182, 172 des ersten und zweiten starren Solarpaneels zu schwenken.
Ein flexibles Solarpaneel 186 ist am ersten bzw. zweiten starren Solarpaneel 166, 176 befestigt. Das flexible Solarpaneel 186 umfaßt einen an den ersten Seitenkanten 167, 178 angebrachten ersten Abschnitt 188, einen zweiten, an den zweiten Seitenkanten 168, 180 angebrachten zweiten Abschnitt 190 und einen dritten, an der zweiten quer verlaufenden Kante 184 des zweiten starren Solarpaneels 176 angebrachten dritten Abschnitt 192.
Das flexible Solarpaneel 186 hat den gleichen Aufbau wie das vorher bezüglich Fig. 2 beschriebene Paneel. Zum Bewegen der hybriden Solarpaneeleinheit 160 zwischen der verstauten Position und der ausgefalteten Position sind geeignete Antriebsmechanismen der vorher beschriebenen Art vorgesehen. Diese umfassen einen ersten Antriebsmechanismus zum Ausbreiten des ersten und zweiten starren Solarpaneels 166, 176 aus der verstauten Position in die ausgefaltete Position in Synchronbetrieb und mehrere zweite Antriebsmechanismen zum Ausbreiten des ersten, zweiten und dritten Abschnitts des flexiblen Solarpaneels aus ihrer verstauten Position in ihre ausgefaltete Position in sequentiellem Betrieb, wie in den Fig. 16A bis 16F sequentiell dargestellt ist.
Auch wenn bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung detailliert offenbart wurden, sollte von Fachleuten beachtet werden, dass verschiedene andere Modifikationen an den dargestellten Ausführungsformen vorgenommen werden können, ohne vom Geltungsbereich der Erfindung, wie er in der Beschreibung angegeben und in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.

Claims

1. Hybride Solarpaneeleinheit, welche an einer Satellitenseitenwand zwecks Bewegung zwischen einer verstauten Stellung in der Nähe der Satellitenseitenwand und einer entfalteten Stellung, die sich von der Satellitenseitenwand weg erstreckt, angeordnet ist, wobei die Solarpaneeleinheit ein Joch, welches schwenkbar an der Satellitenseitenwand angebracht ist, ein erstes, starres Solarpaneel, welches schwenkbar an dem Joch angebracht ist, ein zweites, starres Solarpaneel, welches entlang einer von dem Joch beabstandeten Achse an dem ersten, starren Solarpaneel angebracht ist, eine dritte, nicht-starre Solarpaneelbaugruppe, welche mit dem ersten und dem zweiten, starren Solarpaneel verbunden ist, und eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der Solarpaneeleinheit zwischen der verstauten Stellung und der entfalteten Stellung aufweist, wobei die nicht-starre Solarpaneelbaugruppe in der verstauten Stellung schichtweise zwischen den beiden starren Paneelen angeordnet ist.

2. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte, nicht-starre Solarpaneelbaugruppe mehrere halb-starre Solarpaneele umfaßt.

3. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen ersten Antriebsmechanismus zum Ausfahren des ersten und des zweiten, starren Solarpaneels von der verstauten Stellung in die entfaltete Stellung in Synchronbetrieb sowie mehrere zweite Antriebsmechanismen zum Ausfahren der mehreren halb-starren Solarpaneele von ihren jeweiligen verstauten Stellungen in ihre jeweiligen entfalteten Stellungen in sequentiellem Betrieb umfaßt.

4. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch zwecks Drehung um eine Jochgelenkachse schwenkbar angebracht ist, wobei das erste, starre Solarpaneel und das Joch gegeneinander verschwenkbar entlang einer ersten Paneelgelenkachse montiert sind und wobei das zweite, starre Solarpaneel und das erste, starre Paneel gegeneinander verschwenkbar entlang einer zweiten Paneelgelenkachse montiert sind, welche von der ersten Paneelgelenkachse beabstandet ist, jedoch parallel zu dieser verläuft.

5. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren halb-starren Paneele ein erstes bzw. ein zweites halb-starres Solarpaneel, welche schwenkbar entlang einer ersten bzw. einer zweiten, seitlichen Gelenkachse, welche voneinander beabstandet sind und parallel zueinander verlaufen, an dem ersten, starren Solarpaneel angebracht sind, sowie ein drittes bzw. ein viertes, halb-starres Solarpaneel umfassen, welche schwenkbar entlang einer dritten bzw. einer vierten, seitlichen Gelenkachse, welche voneinander beabstandet sind und parallel zueinander verlaufen und mit der ersten bzw. der zweiten, seitlichen Gelenkachse fluchten, wenn sich die hybride Solarpaneeleinheit in der entfalteten Stellung befindet, an dem zweiten, starren Solarpaneel angebracht sind.

6. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren halb-starren Paneele ein fünftes, halb-starres Solarpaneel umfassen, welches schwenkbar entlang einer dritten Paneelgelenkachse an dem zweiten, starren Solarpaneel angebracht ist, welche von der ersten und der zweiten Paneelgelenkachse beabstandet ist, jedoch parallel zu diesen verläuft.

7. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch zwecks Drehung um eine Jochgelenkachse schwenkbar an der Satellitenseitenwand angebracht ist, wobei der erste Antriebsmechanismus eine an der Satellitenseitenwand befestigte Entfaltungshaltevorrichtung, eine Entfaltungsantriebswelle, welche an dem Joch befestigt und an der Satellitenseitenwand angebracht ist, um sich bei Betrieb der Entfaltungshaltevorrichtung drehen zu können, eine an der Satellitenseitenwand befestigte Entfaltungsrolle, eine erste Gelenkeinrichtung zum schwenkbaren Anbringen des ersten, starren Solarpaneels an dem Joch zwecks gegenseitiger Drehung um die erste Paneelgelenkachse, eine dem ersten, starren Paneel zugeordnete Rolle, welche an dem ersten, starren Solarpaneel befestigt und auf der ersten Paneelgelenkachse zentriert ist, ein erstes Synchronisationsseil, welches an der Entfaltungsrolle bzw. an der dem ersten, starren Paneel zugeordneten Rolle befestigt ist, eine an dem Joch befestigte Jochrolle, welche auf der ersten Paneelgelenkachse entfernt von der dem ersten, starren Paneel zugeordneten Rolle zentriert ist, eine zweite Gelenkeinrichtung zum schwenkbaren Anbringen des zweiten, starren Solarpaneels an dem ersten, starren Solarpaneel zwecks gegenseitiger Drehung um die zweite Paneelgelenkachse, eine dem zweiten, starren Paneel zugeordnete Rolle, welche an dem zweiten, starren Solarpaneel befestigt und auf der zweiten Paneelgelenkachse zentriert ist, und ein zweites Synchronisationsseil umfaßt, welches an der Jochrolle bzw. an der dem zweiten Paneel zugeordneten Rolle befestigt ist, wodurch es der Betrieb der Entfaltungshaltevorrichtung ermöglicht, dass sich das Joch, das erste, starre Paneel und das zweite, starre Paneel in die entfaltete Stellung bewegen können, in welcher das Joch, das erste, starre Solarpaneel und das zweite, starre Solarpaneel koplanar zueinander angeordnet sind und quer zu der Satellitenseitenwand verlaufen.

8. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der starren Paneele einen Wabenkern sowie eine Dicke im Bereich von ungefähr 1 bis 1112 Inch aufweist und dass jedes der halb-starren Paneele einen Wabenkern sowie eine Dicke im Bereich von ungefähr 0.32 cm (¹/&sub8; inch) bis 0.95 cm (³/&sub8; inch) aufweist.

9. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite, starre Solarpaneel in der verstauten Stellung die zwischen ihnen liegenden mehreren zweiten, halb-starren Solarpaneele in überlappender, Seite an Seite liegender Anordnung umgeben und dass ein elastisches Bauteil an jedem der halb-starren Solarpaneele befestigt ist, um zu bewirken, dass sich das ihm zugehörige, halb-starre Solarpaneel in einer vorgegebenen Reihenfolge in Richtung der entfalteten Stellung entfaltet, wodurch bei Betätigung des ersten Antriebsmechanismus zum Ausfahren des ersten und des zweiten, starren Solarpaneels von der verstauten Stellung in die entfaltete Stellung in Synchronbetrieb die an den halb-starren Solarpaneelen vorgesehenen, elastischen Bauteile derart wirken, dass sie das Entfalten der halb-starren Solarpaneele in die entfaltete Stellung in sequentiellem Betrieb ermöglichen.

10. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verriegelungseinrichtung zum sicheren Halten der starren Solarpaneele und der halb-starren Solarpaneele in der einmal erreichten, entfalteten Stellung vorgesehen ist.

11. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung ein Nockenelement, welches an einem ersten Paneel der Paneele befestigt ist und welches einen in ihm ausgebildeten Anschlag aufweist, und einen Nockenfolger umfaßt, welcher schwenkbar an einem zweiten Paneel der Paneele angebracht ist, welches an das erste Paneel der Paneele an einer der zwischen dem ersten und dem zweiten Paneel liegenden Gelenkachsen angrenzt, wobei der Nockenfolger derart vorgespannt ist, dass er während der Bewegung der Solarpaneeleinheit in Richtung der entfalteten Stellung an das Nockenelement angreift, und wobei der Nockenfolger derart vorgespannt ist, dass er an den Anschlag in dem Nockenelement angreift, wenn sich die Solarpaneeleinheit in die entfaltete Stellung bewegt, und die Solarpaneeleinheit in der entfalteten Stellung verriegelt.

12. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Antriebsmechanismus einen an der Satellitenseitenwand befestigten Schrittfreigabemotor, eine Freigabewelle, welche von der Satellitenseitenwand abragt und zwecks Drehung durch den Freigabemotor montiert ist, einen integral mit der Freigabewelle ausgebildeten Vorsprungteil, welcher eine zylindrische Umfangsfläche und eine quer verlaufende, von dem Motor beabstandete Stirnfläche aufweist, ein Jochgelenk, welches zwecks schwenkbarer Montage des Jochs an der Satellitenseitenwand an der Stirnfläche des Vorsprungteils angebracht ist, eine elastische Einrichtung zum Vorspannen des Jochs in die entfaltete Stellung, eine Rolle mit offenem Ende, welche drehbar an einer radial von dem Vorsprungteil beabstandeten Stelle der Satellitenseitenwand angebracht ist, und ein Entfaltungshalteseil umfaßt, welches mit einem Ende an der Umfangsfläche des Vorsprungteils und welches mit dem gegenüberliegenden Ende an einer von dem Jochgelenk beabstandeten Stelle an dem Joch befestigt ist und welches anfänglich teilweise um die Rolle mit offenem Ende herum verläuft, um das Joch in der verstauten Stellung zu halten, wodurch bei schrittweiser Drehung der Freigabewelle durch den Freigabemotor bewirkt wird, dass das Haltekabel seitlich über und dann von der Rolle mit offenem Ende heruntergleitet, wodurch es der elastischen Einrichtung ermöglicht wird, das Joch in die entfaltete Stellung zu bewegen.

13. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Joch schwenkbar zwecks Drehung um eine Jochgelenkachse angebracht ist und das erste und das zweite, starre Solarpaneel jeweils rechtwinklig ausgebildet ist sowie eine erste und eine zweite Seitenkante, die sich gegenüberliegen, und eine erste und eine zweite Querkante die sich gegenüberliegen, aufweisen, wobei das erste, starre Solarpaneel schwenkbar zwecks Drehung um eine erste Paneelgelenkachse angebracht ist und das zweite, starre Solarpaneel schwenkbar zwecks Drehung um eine zweite Paneelgelenkachse angebracht ist, welche entlang einem Paar aneinander angrenzender Kanten verläuft, bei denen es sich um die zweite bzw. die erste Querkante des ersten bzw. zweiten, starren Solarpaneels handelt, und dass das dritte, nicht-starre Solarpaneel ein flexibles Solarpaneel umfaßt.

14. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Solarpaneel einen ersten Abschnitt, welcher an den ersten Seitenkanten des ersten und des zweiten, starren Solarpaneels befestigt ist, einen zweiten Abschnitt, welcher an den zweiten Seitenkanten des ersten und des zweiten, starren Solarpaneels befestigt ist, und einen dritten Abschnitt, welcher an der zweiten Querkante des zweiten, starren Solarpaneels befestigt ist, umfaßt.

15. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der hybriden Solarpaneeleinheit zwischen der verstauten Stellung und der entfalteten Stellung vorgesehen ist.

16. Hybride Solarpaneeleinheit nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebseinrichtung einen ersten Antriebsmechanismus zum Ausfahren des ersten und des zweiten, starren Solarpaneels von der verstauten Stellung in die entfaltete Stellung in Synchronbetrieb sowie mehrere, zweite Antriebsmechanismen zum Ausfahren des ersten, des zweiten und des dritten Abschnitts des flexiblen Solarpaneels von ihren verstauten Stellungen in ihre entfalteten Stellungen in sequentiellem Betrieb umfaßt.