JALOUSIE FüR EIN RAUMFAHRZEUG

Die Erfindung betrifft eine Jalousie für ein Raumfahrzeug, welche sich temperaturabhängig selbsttätig öffnet oder schließt, um eine Wärmetauschfläche des Raumfahrzeuges ab- beziehungsweise zuzudecken. Sie ist von einer Anzahl Lamellen gebildet, die mit einer Längsseite an am Raumfahrzeug befestigten Fußteilen schwenkbar befestigt sind, wobei als Schwenkantrieb bei Temperaturänderung ihre Form verändernde Teile vorgesehen sind.

Unter den Begriff Raumfahrzeug fallen nicht nur angetriebene Raumfahrzeuge, sondern auch Raumstationen und Satelliten, die beim Transport in den Weltraum allerdings denselben Kräften und Schwingungen ausgesetzt sind. Insbesondere bei Raumstationen und Satelliten ist für an Bord befindliche Systeme und Besatzung ein geregelter Wärmehaushalt sicherzustellen. Dazu sind an der Aussenseite des Raumfahrzeuges Wärmetauschflächen angebracht, die Wärme (in Form von Strahlung) aus dem umgebenden Weltraum aufnehmen oder sie in den Weltraum abgeben können. Im ersten Fall sind die Wärmetauschflächen des Raumfahrzeuges zuzudecken, wenn keine Wärmestrah-

hing einfällt, im zweiten Fall sind sie zuzudecken, wenn Wärmestrahlung einfällt.

Bei bekannten Jalousien sind die einzelnen Lamellen der Jalousie um Achsen schwenkbar gelagert, an deren Enden Bimetall - Spiralen als Schwenkantrieb vorgesehen sind, wie etwa in einem Prospekt der Firma „Orbital Technical Services Division", Beltsville (MD 20705) aus dem Jahr 1997 beschrieben. Diese bewährte Konstruktion ist relativ schwer, sperrig, montageaufwändig und schwingungsanfallig, auch ihr Betriebsverhalten lässt zu wünschen über. Dadurch, dass das Bimetall durch Wärmeleitung erwärmt wird und die Bezie- hung zwischen dessen Temperatur und dem Drehwinkel der Lamellen ungefähr linear ist, sprechen sie nur langsam auf änderungen der Umgebungsbedingungen an. Durch den Raumbedarf der Achsen und Bimetall-Spiralen bleibt auch bei ganz geöffneter Jalousie ein Teil der Wärmetauschfläche bedeckt und daher ungenutzt. Auch die Lagerung der Achsen ist unter WeIt- raumbedingungen problematisch.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, alle diese Nachteile zu überwinden und eine Jalousie mit verbessertem Betriebsverhalten zu schaffen, die leicht, raumsparend, gegen Schwingungen unempfindlich und billig in der Herstellung ist.

Erfindungsgemäß sind die Lamellen mittels flächiger Elemente aus einer Gedächtnislegierung (im folgenden kurz: Gedächtniselemente) an den Fußteilen befestigt, welche Elemente bei Durchschreiten eines übergangsbereiches der Temperatur ihre Krümmung ändern und so die Lamellen verschwenken. So fallen zunächst die Achsen mit ihren Lagern und den Bimetallspiralen an ihren Enden weg, was Gewicht, Raumbedarf und die Anfälligkeit auf Schwingungen erheblich verringert. Dadurch, dass die Lamellen mittels der über ihre ganze Länge verteilten Gedächtniselemente schwenkbar sind, können sie we-

sentlich leichter ausgeführt sein. Die Gedächtniselemente ändern dank ihrer geringen Masse und dank der Wärmeleitung ihrer Fußteile schnell ihre Temperatur, wodurch sie den übergangsbereich der Temperatur schnell durchschreiten. Dadurch gehen sie schnell von der ganz geöffneten in die ganz geschlossene Stellung über. So ist ihr Zeitverhalten wesentlich besser als das al- ler bis heute bekannten Systeme.

In einer bevorzugten Ausbildung nehmen die Gedächtniselemente in den durch den übergangsbereich getrennten ersten und zweiten Temperaturbereichen aus eigener Kraft verschiedene Gestalten an, und zwar bilden sie in dem ersten eine ebene Fläche und in dem zweiten ein ungefähr rechtwinkeliges Knie (Anspruch 2). Sie verformen sich also aus eigener Kraft in beiden Richtungen. Deshalb spricht man auch von doppeltwirkenden Gedächtniselementen („two-way shape memory elements"). Sie benötigen somit keine Feder, um in die eine oder andere Stellung zurückzukehren. Derartige Gedächtnisle- gierungen sind an sich bekannt und zum Beispiel in den Patentschriften

US 4,435,229 und 4,707,196, auf deren Inhalt hiermit Bezug genommen wird, mitsamt einem Verfahren zu ihrer Initialisierung ausführlich beschrieben.

Vorzugsweise sind sie so in ihren Fußteilen befestigt, dass der erste Tempera- turbereich unter dem übergangsbereich und der zweite über dem übergangsbereich liegt, wobei sie im ersten Temperaturbereich im wesentlichen rechtwinkelig von der Wärmeübergangsfläche abstehen und im zweiten die Wärmetauschfläche abdecken (Anspruch 3). Dann können sie Wärme in den Weltraum abstrahlen. Dadurch, dass sie im ersten (kalten) Temperaturbereich ge- streckt sind, verdecken sie im geöffneten Zustand die Wärmetauschfläche praktisch nicht. Wären sie hingegen in diesem Temperaturbereich gekrümmt, würden sie einen kleinen Teil der Wärmetauschfläche beschatten. Im kalten

Zustand gestreckte Gedächtniselemente nutzen die Wärmetauschfläche besser aus.

Zur weiter verbesserten Ausnutzung der Wärmetauschfläche überlappen die Lamellen in der die Wärmetauschfläche abdeckenden Stellung mit ihren freien Längsseiten (das sind die den Fußteilen abgewandten) die mit den Fußteilen verbundenen Längsseiten der vor ihr befindlichen Lamelle (Anspruch 4). So werden die Gedächtniselemente vor der im Weltraum herrschenden infraroten Strahlung geschützt. Dadurch erübrigt sich eine schützende Beschichtung der Gedächtniselemente, welche wegen deren starker Biegewechselbeanspruch- ung problematisch wäre.

In bevorzugten Ausfuhrungsformen liegen die flächigen Elemente mit ihrer Krümmungsinnenseite an in den Fußteilen eingespannten Federelementen an und sind an ihrer Krümmungsaussenseite von den Fußteilen abstehende An- schlage vorgesehen, welche die geöffnete Stellung der Lamellen definieren (Anspruch 5). Durch das Zusammenwirken der eigentlich redundanten im öffnungssinn wirkenden Federelemente mit den Anschlägen ist die geöffnete Stellung der Lamellen genau definiert. Wenn auch redundant, so wirken die Federelemente einer Ermüdung der Gedächtniselemente (die bei sehr langen Missionen doch auftreten kann) entgegen. Nebstbei wirken die Federelemente aber auch als Wärmeleiter zu den Gedächtniselementen, wodurch sich deren Zeitverhalten weiter verbessert.

Wenn die Federelemente entlang der Längsseite der Lamellen in gewissen Abständen angeordnete Streifen sind, die sich in Querrichtung bis zu den freien Längsseiten der Lamellen erstrecken (Anspruch 6) und weiters von der den Fußteilen zugewandten Längsseite bis zu der freien Längsseite als die Lamellen unterstützende Rippen ausgebildet sind (Anspruch 7), wird eine Verstei-

fung der Lamellen erreicht, beziehungsweise können die Lamellen wesentlich dünner ausgeführt werden. Jedenfalls wird dadurch eine erhebliche Vereinfachung und Senkung der Herstellkosten erreicht.

Alternativ können die Federelemente in gewissen Abständen angeordnete Streifen sein, die an der den Fußteilen zugewandten Längsseite der Lamellen zu einer Platte vereint sind, welche selbst die Lamelle bildet (Anspruch 8). Auch dadurch wird eine erhebliche Vereinfachung und Senkung der Herstellkosten erreicht. Die Lamellen brauchen dann nur mehr mit einer spiegelnden Beschichtung versehen zu werden, beziehungsweise bestehen sie selbst aus einem Werkstoff mit spiegelnder Oberfläche.

Eine sehr vorteilhafte Verfeinerung besteht darin, dass die Breite der streifenförmigen Federelemente von den Fußteilen bis zur den Fußteilen zugewandten Längsseite der Lamellen abnimmt (Anspruch 9). Dadurch nehmen sie eine kreisförmige Biegelinie ein und legen sich so großflächig an die Gedächtniselemente an. Das wirkt Schwingungen entgegen und verbessert die Wärmeeinleitung in die Gedächtniselemente.

Eine weitere denkbare Variante besteht darin, dass die Gedächtniselemente eine erste und eine zweite Zone aufweisen, wobei sie in der ersten Zone durch den Gedächtniseffekt in Abhängigkeit von der Temperatur verschiedene Gestalten annehmen können und sich in der zweiten Zone im superelastischen Zustand befinden, in welchem sie selbst die Lamellen bilden (Anspruch 10). Um das zu erreichen wird nicht das ganze Gedächtniselement, sondern nur ein Teil dessen als Gedächtniselementteil vorbehandelt (initiiert).

Eine praktische Ausfuhrung besteht darin, dass die Fußteile für jede Lamelle beziehungsweise eine Reihe von Lamellen (wenn nämlich die Lamellen in

Längsrichtung unterbrochen sind) aus einer Halteschiene und in gewissen Abständen angeordneten Füßen besteht, wobei die Gedächtniselemente, die Federelemente und die Anschläge in der Halteschiene eingespannt und die Füße an dem Raumfahrzeug befestigt sind (Anspruch 11). So können die Lamellen mit ihren Fußteilen und den weiteren Bauteilen vorgefertigt und einfach an der Aussenwand des Raumfahrzeuges angebracht werden. Dazu genügen dann wenige Befestigungspunkte, an denen gegebenenfalls die Verbindung durch Kleben erfolgen kann. Ausserdem wird durch die in Abständen angeordneten Füße nur wenig Wärme von der Wärmeübergangsfläche in die Fußteile eingeleitet. Zum Ausgleich unterschiedlicher Wärmedehnungen können die Halte- schienen in zumindest einem Fuß in ihrer Längsrichtung verschiebbar geführt sein (Anspruch 12).

Zu diesem Zweck besteht der Fuß aus einem am Raumfahrzeug befestigten Sohlteil, einem torbogenförmigen Kopfteil und gegebenenfalls einem Mittel- teil, wobei der Sohlteil am Raumfahrzeug befestigt ist, über seine ganze Länge einen Schlitz für den Durchtritt der Halteschiene aufweist, und wobei der Kopfteil den Sohlteil umklammert (Anspruch 13). So ist die Halteschiene leicht zu montieren und es kann eine Lamelle mit ihren Fußteilen vormontiert und komplett am Raumfahrzeug befestigt werden, etwa durch Kleben. Der Schlitz bildet eine feste Einspannung, die die Biegesteifigkeit der Halteschiene erhöht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des Fußes besteht darin, dass die Halteschiene in Querrichtung von einem Bolzen durchsetzt ist, und dass der Sohlteil ein Bett bildet, in dem der Bolzen begrenzt längsverschiebbar geführt ist (Anspruch 14). So wird die Führung der Halteschiene ohne Beeinträchtigung der Verschiebbarkeit weiter verbessert und das Auftreten von Schwingungen weiter erschwert.

In einer verfeinerten Ausfiihrungsform besteht der Sohlteil aus zwei Stirnwänden und einem dazwischenliegenden Block kleineren Querschnittes, welcher zusammen mit dem Mittelteil die Führung für den Bolzen bildet und sind der Block und der Mittelteil von Klinken bildenden Schenkeln des Kopfteiles zu- sammengehalten (Anspruch 15). So kann der Kopfteil auf den Sohlteil einfach aufgeklipst sein und der Kopfteil ist auch in Längsrichtung gesichert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar: - Fig. 1 : Ansicht einer erfmdungsgemäßen Jalousie, geöffnet,

- Fig. 2: Draufsicht in Fig. 1, in geschlossener Stellung,

- Fig. 3 : Schnitt nach III-III in Fig. 2, vergrößert,

- Fig. 4: Detail IV in Fig. 3 in einer ersten Ausführungsform, vergrößert,

- Fig. 5: axonometrische Explosions-Ansicht zu Fig. 4, - Fig. 6: Detail IV in Fig. 3 in einer zweiten Ausführungsform, vergrößert,

- Fig. 7: Axonometrische Explosions- Ansicht zu Fig. 6,

- Fig. 8: Detail IV in Fig. 3 in einer dritten Ausführungsform, vergrößert,

- Fig. 9: Detail IX in Fig. 5,

- Fig.10 : ein Diagramm zur Wirkung des Gedächtniselementes.

In Fig. 1 ist die Oberfläche 1 eines Raumfahrzeuges nur angedeutet. Ein Teil der Oberfläche ist als Wärmetauschfläche 2 ausgebildet und von einer insgesamt mit 3 bezeichneten Jalousie ganzflächig abdeckbar, wenn von einem Himmelskörper 7 abgegebene Wärmestrahlung auf sie einfällt. Die Jalousie 3 besteht aus einer Anzahl parallel zueinander angeordneter Lamellen 4, welche mittels eines Fußteiles 5 mit der Oberfläche 1 oder mit der Wärmetauschfläche 2 schwenkbar verbunden sind. Die einzelnen Lamellen 4 können in ihrer Län-

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8 ge unterteilt sein. Die Fußteile sind mittels Füssen 6 an der Oberfläche 1 befestigt.

Zur Abgabe von Wärme in den Weltraum befindet sich die Jalousie in der in Fig. 1 dargestellten geöffneten Stellung. Sobald sie von einem Himmelskörper 7 beschienen wird, erwärmen sich die Teile der Jalousie 3 und gegebenenfalls auch die Fußteile, wodurch die einzelnen Lamellen 4 dazu veranlasst werden, in die in Fig. 2 und 3 dargestellte geschlossene Stellung zu schwenken.

In Fig. 2 sind die einzelnen Lamellen 4 in Draufsicht verkürzt (deshalb die parallelen strichpunktierten Linien) dargestellt. Die Lamellen 4, 4' etc sind rechteckig, sie haben eine freie Längsseite 9 und eine den Füssen 5 zugewandte Längsseite 10. In Fig. 3 ist vergrößert zu erkennen, dass die Lamelle 4, sowie alle anderen dazu parallelen Lamellen, zum Fußteil 5 hin eine Biegezone 8 aufweist, die in der abgebildeten geschlossenen Stellung ein ungefähr recht- winkeliges Knie bildet. Das freie Ende 9 der Lamelle 4 überdeckt die Biegezone 8' und den Fußteil 5' der darauffolgenden weiteren Lamelle 4'. Im folgenden wird jeweils nur mehr eine einzige Lamelle 4 beziehungsweise Reihe von Lamellen beschrieben.

Die Biegezone 8 ist von einem oder mehreren flächigen Elementen aus einer Gedächtnislegierung (im folgenden Gedächtniselemente genannt) gebildet. Gedächtnislegierungen sind an sich bekannt, beispielsweise aus den US- Patentschriften 4, 435,229 und 4,707,196, auf die hier ausdrücklich bezug genommen wird. In diesen ist nicht nur die Zusammensetzung derartiger Legie- rungen angegeben, sondern auch verschiedene Verfahren zur Initialisierung von Gedächtniselementen. Unter Initialisierung sind Verfahren zu deren Behandlung beschrieben, die ihnen das gewünschte Verhalten bei Temperaturänderungen aufprägen. Sie bestehen in wiederholten Veränderungen von Tempe-

ratur und mechanischer Spannung. Zur Lösung des der Erfindung zugrundlie- genden Problemes hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, sogenannte doppeltwirkende Gedächtnislegierungen („two-way shape memory alloys") einzusetzen. Solche doppeltwirkenden Gedächtnislegierungen können je nach ihrer Temperatur aus eigener Kraft ihre Gestalt zwischen zwei verschiedenen Formen wechseln. Darauf wird am Ende der Beschreibung noch eingegangen. Die Gedächtniselemente werden am besten so behandelt, dass sie in einem tiefen Temperaturbereich eben sind und sich bei Erwärmung krümmen und so das ungefähr rechtwinkelige Knie in der Biegezone 8 bilden.

In Fig. 4 und 5 sind mehrere streifenförmige Gedächtniselemente 14 zwischen den Fußteilen 5 und der eigentlichen Lamelle 4 vorgesehen. An der Krümmungsinnenseite der Gedächtniselemente 14 ist ein Federelement 15 angeordnet, welches in dem Fußteil 5 einen Falz 16 bildend den entsprechenden Teil des Gedächtniselementes 14 umschließt. Oben geht das Federelement 15 in eine Rippe 17 über, auf der die Lamelle 4 befestigt ist. Das Federelement 15 stellt im Zusammenwirken mit einem Anschlag 18 sicher, dass die geöffnete Lamelle eine definierte Stellung einnimmt. Das Federelement besteht aus einer Kupfer-Beryllium-Legierung, oder einem anderen elastischen Werkstoff.

Die einzelnen Gedächtniselemente 14, Federelemente 15 und Anschläge 18 sind an ihren fußseitigen Enden von jeweils einer Verbindungsleiste 24, 25, 26 zu einem Teil vereint . Die Verbindungsleisten 24, 25, 26 bilden gemeinsam eine Halteschiene 27, die dann mittels der Füße 20,30 mit der Oberfläche 1 des Raumfahrzeuges verbunden sind. Durch die Verbindungsleisten 24, 25, 26 sind die Gedächtniselemente 14, Federelemente 15 und Anschläge 18 leicht durch Stanzen herstellbar. Dabei ist zu bedenken, dass die Breite der Lamellen 4 zwischen ihren Längsseiten 9, 10 nur in der Größenordnung von einigen Zentimetern liegt. In Fig. 4 ist noch durch einen Pfeil 28 verkleinert angedeu-

5 tet, welche Lage die Lamelle 4* im kalten Temperaturbereich einnimmt. Das

Gedächtniselement 14* ist in eine Ebene ausgerichtet, und liegt an dem Anschlag 18* an.

In Fig. 5 ist dasselbe explodiert dargestellt. Man sieht, dass die Breite 15" der

10 Federelemente 15 von der Halteschiene 27 ausgehend bis zur der Rippe 17 abnimmt und dass die Rippe an ihren Rändern Abkantungen 29 aufweist. Die abnehmende Breite bewirkt eine kreisbogenförmige Biegelinie des Federelementes, das deshalb in der Biegezone 8 flächig am Gedächtniselement 14 anliegt.

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Die Variante der Fig. 6 und 7 (entsprechende Bezugszeichen sind um 100 erhöht) unterscheidet sich von der vorhergehenden Ausführungsform vor allem dadurch, dass die Federelemente 115 sich an der inneren Längsseite 110 der Lamelle 104 vereinigen, um selbst die Lamelle 104 zu bilden. Zur Versteifung

20 ist die Lamelle 104 mit kreuzweisen Sicken 117 versehen. Sie braucht dann nur mehr an ihren Oberflächen mit einer spiegelnden Beschichtung versehen zu sein. Man spricht von einem „first surface mirror" und einem „second sur- face mirror". Auf der Fußseite bildet das Federelement 115 wieder einen U-förmigen Falz 116, der zusammen mit weiteren Verstärkungsleisten 124,

25 125, 126 eine Halteschiene 127 bildet, die in Füßen 120,130 eingeklemmt ist, wozu die Bolzen 119 vorgesehen sind.

Die Ausfuhrungsform der Fig. 8 (die Bezugszeichen sind um 200 erhöht) unterscheidet sich dadurch, dass nicht das Federelement 215, sondern das Ge- 30 dächtniselement 214 selbst die Lamelle 204 bildet. Dazu ist es erforderlich, das Gedächtniselement 214 nur in der Biegezone 205 als doppeltwirkendes Gedächtniselement zu behandeln und in der Zone 206 unbehandelt zu lassen, sodass es sich in dieser Zone in einem superelastischen Zustand befindet, in

dem es keinen Formgedächtnis - Effekt zeigt. Die Trennlinie 209 entspricht der dem Fußteil zugewandten Längsseite der Lamelle 204.

Fig. 9 zeigt den Klemmfuß 130 der Fig.7 im Detail. Er ist so ausgebildet, dass er trotz präziser und schwingungsdämpfender Führung der Halteschiene 27 Wärmedehnungen in deren Längsrichtung zulässt. Der Klemmfuß 130 besteht aus einem Sohlteil 31, einem Mittelteil 32 und einem Kopfteil 33. Der Sohlteil setzt sich aus zwei normal zur Halteschiene 27 ausgerichteten Stirnwänden 35, 36 und dazwischen einem Block 37 zusammen, dessen (hier unsichtbare) Unterseite mit der Oberfläche 1 des Raumfahrzeuges verbunden, beispielsweise verklebt, ist. Der Block 37 bildet etwa in halber Höhe der Stirnwände 35, 36 eine Passfläche 39, aus der ein längliches Bett 38 herausgearbeitet ist, in dem ein in der Halteschiene 27 befestigter Bolzen 30 in Längsrichtung Bewegungsfreiheit hat. Der ganze Sohlteil 31 hat einen durchgehenden Schlitz 40 für die Aufnahme derjϊalteschiene 27. Der Mittelteil 32 sitzt mit seiner nicht sichtba- ren Grundfläche auf der Passfläche 36 des Sohlteiles auf und passt genau zwischen die beiden Stirnwände 35, 36 des Sohlteiles 31. Er wird von dem Kopfteil 33 auf den Sohlteil 31 gepresst. Dazu besteht der torbogenförmige Kopfteil aus einer Brücke 43 und zwei elastischen Schenkeln 44. Die Brücke 43 wirkt auf den Mittelteil 32, die elastischen Schenkel 44 enden jeweils in einer einwärts gerichteten Klinke 45, welche den Block 37 des Sohlteiles 31 umgreift.

Fig. 10 zeigt das Verhalten der doppeltwirkenden Gedächtnislegierung. Auf der Abszisse ist die Temperatur in Graden Celsius und auf der Ordinate der Zentriwinkel der Biegezone 8 eines Gedächtniselementes aufgetragen. Man erkennt einen ersten Bereich niederer Temperatur 60, der bis ungefähr 50 Grad Celsius reicht und einen Bereich 61 höherer Temperatur, der ungefähr bei 75 Grad Celsius beginnt. In dem übergangsbereich 62 dazwischen voll-

zieht sich die Formänderung zwischen einem Winkel von Null Grad (das Gedächtniselement ist gerade) und einem Winkel von 90 Grad (das Gedächtniselement bildet ein rechtwinkeliges Knie). Bedingt durch die Hysterese hat die Kurve 63,64 im übergangsbereich zwei äste 63,64.