DE3621578A1 - Faltbarer konkav gekruemmter antennenreflektor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen faltbaren konkav gekrümmten Antennenreflektor für sehr hohe Konturgenauigkeit aus star­ ren gleichförmigen Segmenten mit einem Zentralpanel, mit dem die Segmente durch zwei einachsige Gelenke verbunden sind.

Durch Verwendung von kohlefaserverstärkten Kunststoffen (CFK) für starre Antennenreflektoren konnte die Forderung der Raum­ fahrt nach konturgenauen und damit leistungsfähigeren Anten­ nensystemen weitgehend erfüllt werden. Der Leistungsfähig­ keit solcher Antennen sind jedoch durch Größe und Begrenzung des Nutzlastraumes im Träger Grenzen gesetzt. Diese sind nur durch Anwendung faltbarer Antennen überbrückbar. Hierbei werden solche Antennen im gefalteten Zustand vom Träger transportiert und im Orbit durch geeignete Mechanismen ent­ faltet. Dazu stehen für die Konstruktion des Antennenreflek­ tors prinzipiell nur zwei Alternativen zur Verfügung, der für hohe Konturgenauigkeit ungeeignete Netzreflektor und der aus faltbaren starren Segmenten bestehende Reflektor für sehr hohe Genauigkeit. Hierzu sind verschiedene Konfigura­ tionen bekannt, wovon jene den entscheidenden Nachteil haben, welche, bedingt durch die Faltkonstruktion, eine hohe Anzahl von Gelenken und Segmenten unterschiedlicher Form und Größe benötigen und einen komplizierten Entfaltmechanismus auf­ weisen und die Konturen der gefalteten Segmente gegeneinander gerichtet sind. Für Versteifungen (Rippen, Fachwerke u.a.) der Segmente, welche bei großen Reflektoren zur Erhaltung der Konturgenauigkeit erforderlich sind, bleibt im Träger mangels Stauraum kein Platz mehr.

Derartige Antennenreflektoren sind z.B. aus der US-PS 36 99 576 und US-PS 37 15 760 bekannt, bei welchen die Seg­ mente an einem Zentralpanel an Einachsgelenken schwenkbar angeordnet sind.

Bei ersterer sind die Segmente auf ihren Rückflächen zum Teil durch ein kleines Gitterwerk gestützt. In beiden Ausführungs­ formen sind die einzelnen Segmente durch Scharniere mitein­ ander verbunden, wodurch das Falten und Entfalten der einzel­ nen Segmente unterstützt wird. Eine ähnliche Ausführungsform ist auch aus der NASA-Conference Publication 2118, Nov. 1979 bekannt und unter Advanced sunflower antenna concept develop­ ment (J.S. Archer) beschrieben.

Abgesehen vom relativ großen konstruktiven Aufwand und dem dadurch verursachten hohen Gewicht ist hierbei von besonde­ rem Nachteil die aufgrund der zahlreichen Gelenke unzu­ reichende aber erforderliche hohe Konturgenauigkeit.

Aus der DE-OS 31 28 978 ist ein faltbarer rotationssymme­ trischer Strahlungsreflektor bekannt, der von einer Anzahl schwenkbarer um die Symmetrieachse angeordneter Segmente gebildet ist. Die Segmente werden hierbei aus der entfalte­ ten Stellung alle auf die gleiche Weise durch gleichsinnige Drehung um ihnen jeweils zugeordnete, zur Symmetrieachse parallele Drehachsen sowie gleichzeitig zur jeweiligen Dreh­ achse hin gerichtetes Hochschwenken in den gefalteten Zustand gebracht. Die Überführung aus den gefalteten in den entfalte­ ten Zustand wird durch die direkte Umkehrung dieser gleich­ zeitig ablaufenden Dreh- und Schwenkbewegungen erreicht. Hier ist von Nachteil, daß das Falten und Entfalten der Seg­ mente nur mittels einer komplizierten Dreh- und Schwenkmecha­ nik möglich ist, was auch zusätzlich die Genauigkeit der ent­ falteten Antenne nachteilig beeinflußt. Ferner ist eine aus­ steifende Verstrebung der Faltsegmente zum feststehenden Zentralkörper nur sehr schwierig anzubringen.

Ferner ist aus einem Vorschlag "SCI (83) 1, Seiten 7 bis 16 und 63 bis 66 für den FIRST-Satelliten eine weitere Falt­ antennenkonstruktion bekannt, bei welcher die Segmente am Umfang des Zentralsegments angeordnet und mittels jeweils zweier Gelenke damit verbunden sind. Das Falten und Entfalten der Segmente erfolgt einachsig nur durch radiales Schwenken der Segmente ohne zusätzliche Drehung derselben. Dadurch kann der Aufwand an Schwenkmechanik reduziert und die Formgenauig­ keit erhöht werden, jedoch ist hierbei sehr nachteilig die uneffektive Ausnutzung des vorhandenen Stauraumes im gefalte­ ten Zustand und die schlechte Unterbringungsmöglichkeit einer zusätzlichen Segmentversteifung. Hinzu kommt, daß, bedingt durch die Segmentposition im gefalteten Zustand, die jeweili­ gen Gelenke und Segmente unterschiedliche Abmessungen haben.

Schließlich ist noch aus der DE-OS 31 28 926 ein faltbarer Antennenreflektor bekannt, bei dem die gelenkige Verbindung der äußeren Enden benachbarter Segmente über einen etwa in der Mitte des äußeren Endes des einen Segments angreifenden Verbindungsstab erfolgt. Das die Segmente mit dem Zentral­ panel verbindende Gelenk ist ein Zweiachsgelenk (ähnlich DE-OS 31 28 978), auf das ein zum Entfalten des Reflektors dienender Antrieb derart einwirkt, daß das Segment radial nach außen geschwenkt wird. Auch hier ist von Nachteil, daß die notwendig hohe Positionsgenauigkeit der Segmente nur mit zusätzlichen mechanischen Mitteln erreichbar ist. Außerdem sind Führungsstangen an den Kopfseiten notwendig, die die Drehbewegung der Segmente synchronisieren und im entfalteten Zustand zusätzlich für die erforderliche Konturgenauigkeit sorgen. Die dabei verwendete Mechanik erfordert eine große Genauigkeit und ist sehr aufwendig.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Antennenreflektor so aus­ zubilden, daß seine Segmente aus einem kompakt gefalteten Zustand durch einfache Mechanik entfaltbar sind. Dabei sollen die Segmente nur um eine Drehachse schwenkbar und durch einen zentralen Antrieb synchron aufklappbar sein. Im entfalteten Zustand sollen die Segmente mit ausreichender Stabilität und Genauigkeit fixiert, einfach zu justieren und im gefalteten Zustand gleichmäßig ausgerichtet angeordnet sein, sowie zwi­ schen den Segmenten noch Platz für zusätzliche Versteifungen finden.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind erfindungsgemäß die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter­ ansprüchen.

Der Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die kreis­ sägenförmige Ausgestaltung des Zentralpanels und der nicht miteinander gekoppelten Segmente der Mechanismus reduziert und die Dreh- und Schwenkbewegung der Segmente auf eine einzige beschränkt wird. Durch die Vereinfachung des Falt­ mechanismus wird zugleich eine sehr hohe Konturgenauigkeit im entfalteten Zustand bei guter Segmentversteifung und eine hohe Packungsdichte im gefalteten Zustand erzielt. Mit der entkoppelten Anordnung der Segmente sind diese auf die Soll­ kontur individuell einstellbar.

Außerdem ergibt sich durch die Reduzierung der hierzu be­ nötigten Bauteile eine beachtliche Gewichtseinsparung. Am Zentralpanel, welches sägezahn- oder sägeblattförmig aus­ gebildet ist, sind an den schräg nach innen gerichteten Ab­ schnitten je zwei einachsige Gelenke angeordnet, deren Achsen zu den Kanten der Abschnitte nahezu parallel verlaufen und um welche die durch diese Gelenke mit dem Zentralpanel verbunde­ nen Segmente gefaltet werden. Die Anzahl der benötigten Ab­ schnitte und zugehörigen Segmente richtet sich nach der Größe des Antennenreflektors und dem zur Verfügung stehenden Stau­ raum im Träger. Die Richtung der Abschnitte und der daran an­ geordneten Gelenke und deren Schwenkachsen richtet sich nach der Position der Segmente im gefalteten Zustand. Entsprechend der Richtung der Achsen sind die Fußkanten der Segmente abge­ schrägt. Durch diese Anordnung können die Lagerpunkte der einachsigen Gelenke weit auseinander angeordnet werden, wodurch eine hohe Steifigkeit und Positionsgenauigkeit tangential zur Zentralachse des Antennenreflektors erreicht wird. Die Gelenke können entsprechend klein ausgeführt sein. Trotz einer dichten Faltpackung können die Segmente auf ihren Rückflächen entsprechend des dort vorhandenen Stauraumes mit Rippen oder Fachwerken versehen werden.

Große Segmente können in Teilsegmente unterteilt und durch ein Fachwerk miteinander verbunden werden. Die Steuerung der Entfaltung erfolgt hierbei günstigerweise durch einen zentral angeordneten Antrieb, wobei die Schwenkbewegung der Teil­ segmente durch Gestänge und Gelenke (z.B. Kniegelenke) unter Vorschaltung eines Untersetzungsgetriebes auf die Segmente übertragen wird. Die einzelnen Teilsegmente sind durch Stell­ glieder voneinander unabhängig justierbar.

Zu ihrer Fixierung im gefalteten Zustand dienen mehrere an sich bekannte Anschläge oder Rasten. Eine zentrale Fixierung durch Arretierung der Faltgestänge ist selbstverständlich möglich.

Ausführungsbeispiele sind folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Antennenreflektor mit Subreflektor und Subreflektorturm in gefalteter und entfalte­ ter Konfiguration auf einer unterhalb des Reflektors befindlichen Satellitenstruktur,

Fig. 2a bis 2d einen Antennenreflektor in verschiede­ nen Öffnungsphasen in Schrägsicht und in der Ansicht von oben, stark schematisiert,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines Antennenreflektors mit selbsttragenden Segmenten in teilweise gefal­ tetem und geöffnetem Zustand in seitlicher und in der Ansicht von oben,

Fig. 4 einen Antennenreflektor gemäß Fig. 3 mit durch Rippen versteiftem Zentralpanel und Segmenten,

Fig. 5 einen Antennenreflektor gemäß Fig. 3 und 4 mit einem Fachwerk versteiften Zentralpanel und aus Teilsegmenten zusammengesetzten Segmenten,

Fig. 6 ein aus drei Teilsegmenten bestehendes und mit einem Fachwerk versteiftes Segment,

Fig. 7 eine Verriegelung zur Arretierung eines durch ein Fachwerk versteiftes Segment im entfaltetem Zustand.

In Fig. 1 ist eine Satellitenkonfiguration dargestellt mit einem auf der Oberseite montierten Antennenreflektor 1, der in der Figur links gefaltet ist, um innerhalb einer Träger­ rakete Platz zu finden. Nach dem Start und dem Verlassen der Trägerrakekte wird der Antennenreflektor 1 entfaltet (Figur rechts) und die Segmente 7 in ihrer Sollstellung verriegelt. Hier ist das Zentralpanel 2 mit seiner sägezahn- oder kreis­ sägeblattförmigen Kontur deutlich zu erkennen. Der zentrale dreibeinige Subreflektorturm 17 trägt den für die Speisung der Antenne notwendigen Subreflektor 18 und fixiert die ge­ falteten Segmente 7 während der Startphase. An den schräg zur Achse 3 des Antennenreflektors 1 verlaufenden Abschnit­ ten 4 des Zentralpanels 2 sind je zwei einachsige Gelenke 5 angeordnet, deren Achse(n) die Schwenkachse(n) 6 bilden, um welche die einzelnen Segmente 7 beim Faltvorgang geschwenkt werden. Die Schwenkachse(n) 6 verlaufen zu den Abschnitten des Zentralpanels 2 bzw. zur Fußkante der Faltsegmente 7 nahezu parallel.

Die Segmente 7 stehen in der Ausgangs- und Transportphase zum Zentralpanel 2 nicht senkrecht, sondern nehmen zu diesem eine mehr oder weniger geneigte Stellung ein (sie ist ab­ hängig von der Gestalt des Zentralpanels 2). Die Segmente 7 liegen innerhalb eines Zylinders, der etwa dem größten Durch­ messer des Zentralpanels 2 entspricht und sind so angeordnet, daß ihre Konturkrümmung gleichgerichtet ist.

Aus den Fig. 2a bis 2d sind einzelne Öffnungsphasen eines Antennenreflektors 1 in Schrägsicht (oben) und in der An­ sicht von oben (unten) ersichtlich. Hierbei zeigt Fig. 2a den gefalteten und Fig. 2d den entfalteten Zustand des Antennenreflektors.

In Fig. 3 ist ein Ausschnitt eines Antennenreflektors 1 in teilweise gefaltetem (rechts) und geöffnetem (links) Zustand in seitlicher (oben) und in der Ansicht von unten (unten) dargestellt. Hierbei sind die Segmente 7 selbsttragend durch ein auf ihren Unterflächen angeordnetes und wirkendes Falt­ gestänge 8 ausgebildet. Das Entfalten der Segmente 7 erfolgt durch einen unter dem Zentralpanel 2 angeordneten zentralen Antrieb 9, der auf das Faltgestänge 8 wirkt. Ist die Endstel­ lung erreicht, so werden die Segmente 7 und das Faltgestänge 8 in dieser Position durch eine gleichfalls an der Unterseite des Zentralpanels 2 vorgesehene Verriegelung 10 gesichert. Die Verriegelung 10 ist justierbar, so daß eine Justierung der gewünschten Kontur möglich ist. Außerdem ist durch ein an der Unterseite eines jeden Segments 7 angeordnetes Stell­ glied 11 eine Nach- und Feinjustierung möglich. Durch einen Kniehebel 12, an welchem das Stellglied 11 angreift, ist zu­ sätzlich eine, durch ein günstiges Übersetzungsverhältnis be­ dingte Feinjustierung möglich.

Diese Justierungen können sowohl erdgebunden als auch orbital vorgenommen werden.

Aus der Figur (unten) sind die Gelenke 5 und ihre Schwenk­ achse(n) 6 ersichtlich. Zur Bewältigung der durch das Falt­ gestänge 8 während des Faltvorganges auftretenden Drehmomente ist der Antrieb 9 mit einem geeigneten, in der Figur nicht näher gezeigten Untersetzungsgetriebe versehen.

In Fig. 4 ist der in Fig. 3 beschriebene Antennenreflektor 1 durch am Zentralpanel 2 und an den Segmenten 7 angreifende Rippen 13 verstärkt, die um die Schwenkachse(n) 6 beim Ent­ falten geschwenkt werden. Die Stellglieder 11 an der Unter­ seite eines jeden einzelnen Segments 7 stehen über das Falt­ gestänge 8 mit den Rippen 13 in Wirkverbindung und können die Segmente 7 einzeln und unabhängig voneinander bewegen und justieren.

Die Fig. 5 zeigt einen Antennenreflektor 1, ähnlich wie in Fig. 3 und 4 beschrieben, mit einem durch ein Fachwerk 14 versteiften Zentralpanel 2, an dessen Abschnitte 4 und mit­ tels der Gelenke 5 damit verbundene aus Teilsegmenten 15 zu­ sammengesetzte Segmente 7 angeordnet sind. Die Teilsegmente 15 sind hierbei durch ein Fachwerk 14 versteift. Eine derartige Konstruktion eignet sich besonders für große Antennenreflektoren, die eine sehr hohe Konturgenauigkeit aufweisen.

Fig. 6 zeigt ein Segment 7 in seitlicher (unten) und in der Ansicht von unten (oben), welches durch ein rückseitig ange­ ordnetes Fachwerk 14 versteift ist. Das Segment 7 selbst be­ steht aus drei Teilsegmenten 15, die voneinander unabhängig an wenigstens vier Punkten mit dem Fachwerk 14 verbunden sind. Durch diese Anordnung können Thermalverformungen der Teilsegmente 15 weitgehend entkoppelt werden, wodurch die Formstabilität der Fachwerkstruktur 14 weitgehend erhalten bleibt.

Fig. 7 zeigt eine Verriegelung zur Arretierung der entfal­ teten, fachwerkversteiften Segmente 7 (Figur rechts). Primär besteht die Verriegelung aus einem Kniehebel 12, dessen End­ stellung durch eine sich beim Entfalten der Segmente 7 streckende Formfeder 16 gehalten wird. An der Formfeder 16 befindet sich ein Stellglied 11, welches über die gestreckte Formfeder 16 den Kniehebel 12 derart angreift, daß, bedingt durch ein günstiges Übersetzungsverhältnis, am Kniehebel 12 die Segmente 7 mit hoher Genauigkeit justiert werden können. In Figur links ist das Segment 7 in Faltstellung.

Claims (6)

1. Faltbarer konkav gekrümmter Antennenreflektor für sehr hohe Konturgenauigkeit aus starren gleichförmigen Segmen­ ten mit einem Zentralpanel, mit dem die Segmente durch zwei einachsige Gelenke verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentralpanel (2) eine der Anzahl und der Anschlußbreite der Segmente (7) entsprechende kreissägenförmige Kontur aufweist, an deren Abschnitte (4) die Gelenke (5) mit dazu parallel verlau­ fenden Achsen (6) angeordnet und mit denen die Segmente (7) schwenkbar verbunden sind.

2. Faltbarer konkav gekrümmter Antennenreflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (7) im gefalteten Zustand eine gleichgerichtete Konturkrüm­ mung aufweisen und von deren Peripherie zur Achse (3) des Antennenreflektors (1) ausgerichtet und zum Zentralpanel (2) geneigt sind.

3. Faltbarer konkav gekrümmter Antennenreflektor nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ent­ falten der Segmente (7) ein unterhalb des Zentralpanels (2) angeordneter Zentralantrieb (9) vorgesehen ist.

4. Faltbarer konkav gekrümmter Antennenreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Entfalten durch eine über an den Außenflächen der Segmente (7) angeordnete Faltgestänge (8) und Gelenke (5) einge­ leitete Stellbewegung gleichzeitig erfolgt.

5. Faltbarer konkav gekrümmter Antennenreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (7) nach dem Entfalten mittels einer am Falt­ gestänge (8) angeordneten Verriegelung (10) fixiert sind.

6. Faltbarer konkav gekrümmter Antennenreflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (7) einzeln über Stellglieder (11) justierbar sind.