F A L T S T R U K T U R E N

Die Erfindung betrifft aufblasbare Faltstru-kturen für Schutz- oder andere Hilfsvorrichtungen, ihre Verwendung für .Schutzschilder und Schutzkammern zur Abschirmung von Nutzlasten im Weltraum und ein Verfahren zur Herstellung von Schutzvorrichtungen unter Verwendung von aufblasbaren Faltstrukturen gemäss Anspruch 8.

Der Einsatz von empfindlichen technischen Geräten im Weltraum er¬ fordert Schutzschilder oder Schutzhüllen, welche die entsprechenden Geräte vor kosmischer und elektromagnetischer Strahlung, Sonnenein¬ wirkung, Meteoriten etc. schützen. Des weiteren werden Hilfsvor¬ richtungen benötigt um für gewisse Nutzlasten definierte atmosphä¬ rische Bedingungen oder Umgebungstemperaturen aufrechtzuerhalten oder um Experimente oder einen bestimmten Arbeitsbereich gegenüber dem Weltall abzuschirmen. An solche Hilfs- oder Schutzvorrichtungen werden hohe Anforderungen gestellt, die . durch deren spezifische Einsatzweise bedingt sind. So wird neben einer hohen Zuverlässig¬ keit beim Entfalten und im Betrieb ein geringes Gewicht und ein kleines Stauvolumen bei robuster Konstruktion, sowie ein möglichst

tiefer Preis gefordert. Daneben ist vor allem von Bedeutung, dass die Vorrichtung im Betriebszustand grosse Ausmasse, typischerweise 10 Meter oder mehr, erreichen kann.

Bekannte Vorrichtungen dieser Art können wegen ihrer Komplexität, ihren Abmessungen oder der zu hohen Kosten nicht für grössere Kon¬ struktionen eingesetzt werden und weisen mithin strukturbedingte Grenzen auf. Dabei sind insbesondere mechanische, sich selbstöff¬ nende Vorrichtungen bei grösseren Abmessungen nicht mehr einsetz¬ bar. Herkömmliche Schutzschilder, wie sie im Zusammenhang mit Kryo- staten verwendet werden, sind nicht entfaltbar und weisen kleine Dimensionen auf. Daneben sind ballonartig aufblasbare Kammern be¬ kannt, die jedoch wegen ihrer Formgebung nur sehr beschränkte Ein¬ satzmöglichkeiten zulassen, da im wesentlichen nur kugel- oder lin¬ senförmige Formen möglich sind. Solche aufblasbare Vorrichtungen weisen zudem den grossen Nachteil auf, dass es kaum möglich ist, Oeffnuπgen in der Oberfläche vorzusehen, die es erlauben würden, nachträglich noch Gegenstände in das Innere der Kammern zu bringen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung von Schutzvorrichtungen im Weltall zu schaffen, so dass mittels einer solchen Vorrichtung auch grosse Nutzlasten teilweise abgeschirmt oder ganz umschlossen werden können, in ihrer Geometrie weitgehend beliebige, zwei- oder dreidimensionale Strukturen möglich sind und den Anforderungen bezüglich geringem Gewicht, kleinem Packvolumen, grosser Zuverlässigkeit, Robustheit und geringem Preis optimal Rechnung getragen wird.

Es ist des weiteren Aufgabe der Erfindung, eine faltbare Tragstruk¬ tur bzw. eine Faltstruktur zu schaffen, die für solche Schutzvor¬ richtungen verwendet werden kann, ein kleines Gewicht aufweist und

die auf ein kleines Packvolumen zusammengefaltet und mit hoher Zu¬ verlässigkeit wieder entfaltet werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Patentan¬ sprüche 1 und 8 genannten Merkmale gelöst.

Die erfindungsgemässe Faltstruktur besteht aus einer topologischen Anordnung von flexiblen, miteinander verbundenen, aufblasbaren Roh¬ ren. An diesen Rohren sind Membranenbefestigt, welche im entfalte¬ ten Zustand die eigentlichen Schutzwände bilden. Da sowohl die Rohre als auch die Membranen aus Kunststoff gefertigt sind, weist diese Faltstruktur ein verhältnismässig geringes Gewicht auf. Zudem besteht der Vorteil einer einfachen Fertigung, einer beliebigen Länge der Rohre und eines kleinen Stauvolumens.

Das Verfahren zur Herstellung einer fertigen Schutzvorrichtung ver¬ wendet eine solche Faltstruktur, wobei durch Inflation der Rohre die Struktur entfaltet wird und die gewünschte skelettartige, bei¬ spielsweise dreidimensionale Form annimmt. Durch ein gezieltes Strecken der Rohre werden auch die Membranengespannt und das Zusam¬ menwirken der Membranenund der Rohre, die im aufgeblasenen Zustand als Streben wirken, führt zu einer stabilen zwei- oder dreidimen¬ sionalen Struktur. Auf diese Weise wird ein zuverlässiges Entfalten im Weltraum gewährleistet. Durch die Verwendung von Thermoplasten und einer chemisch aushärtbaren Beschichtung der Rohre, oder auch der Membranen kann die Vorrichtung dauerhaft in der aufgeblasenen Form fixiert werden, ohne dass im Innern der Rohre der Gasdruck aufrechterhalten bleiben müsste.

Anhand der nachfolgenden Figuren sind das Verfahren und verschie¬ dene Ausführuπgsbeispiele der Erfindung näher erläutert.

Fig. la zeigt ein Skelett für einen sphärenförmigen Hitzeschild gemäss Fig. lb

Fig. lb zeigt einen sphärenförmigen Hitzeschild mit einer reflek¬ tierenden Kunststoffolie

Fig. 2a zeigt einen Hitzeschild mit einer prismenähnlichen Struktur

Fig. 2b zeigt die Grundfläche des Hitzeschildes gemäss Figur 2a

Fig. 3 zeigt einen prismenförmigen Hitzeschild

Fig. 4 zeigt eine Kammer in der Form eines Ikosaeders

Fig. 5 zeigt ein ringförmiges Beschattungs-Schild mit zwei Membra¬ nen

Fig. 6 zeigt eine Verbindungsstelle zwischen drei Rohrstreben

Fig. 7 zeigt ein Schnittmuster für eine Verbindungsstelle in wel¬ cher vier Rohrstreben zusammentreffen

Das erfindungsgemässe Verfahren ermöglicht die Herstellung von zwei- oder dreidimensionalen Strukturen, die einen skelettartigen Aufbau aufweisen. Der Formgebung sind nur durch topologische Rah¬ menbedingungen der Faltstrukturen Grenzen gesetzt. Es ist möglich, Strukturen mit Gesamtabmessungen von zehn oder mehr Metern mit aus¬ reichender Stabilität zu fertigen.

Das Skelett dieser Strukturen besteht aus einzelnen, flexiblen Roh¬ ren 11 (Fig. la, b), die durch Koppelungselemente 27 wie in Fig. 2b oder direkt wie in Figur la, b miteinander verbunden sind. Diese Koppelungselemente 27 sind so ausgebildet, dass zwischen dem Innern der einzelnen Rohre 22, 23 (Fig. 2b) ein Gasaustausch stattfinden kann. Wird derart durch diese Rohre 22, 23 ein geschlossenes System gebildet, so kann durch eine Druckquelle mit einem beliebigen Gas, beispielsweise Stickstoff, das ganze Skelett aufgeblasen werden. Unter Umständen ist es, insbesondere bei komplizierten Strukturen, wünschenswert, dass nicht alle Rohre gleichzeitig aufgeblasen wer¬ den, sondern dass eine sequentielle Inflation stattfindet. Zu die¬ sem Zwecke können mehrere Quellen vorgesehen werden, die einzelne Bereiche des Skelettes getrennt aufblasen. Stattdessen kann ein sequentielles Aufblasen von verschiedenen Bereichen aber auch durch Ventile erreicht werden, welche erst bei einem bestimmten Gasdruck öffnen oder durch Membrane oder andere die Gasströmung beeinflus¬ sende Elemente, z-.B. Verengungen im Rohrinnern. Diese Ventile oder Membrane zur Beeinflussung des Gasaustauschs können im Rohrinnern oder in einem Koppelungselement vorgesehen werden. Durch ein der¬ artiges gestaffeltes Aufblasen können auch komplizierte Strukturen hergestellt werden, die mit einer sehr grossen Zuverlässigkeit ent¬ faltet werden können.

Da die Inflation der Faltstruktur im Weltall erfolgt, genügen i- nime Drücke im Bereich von wenigen Milli bar um ein Entfalten zu bewirken. Als Druckquellen kommen mittransportierte Druckflaschen oder durch chemische Reaktionen aus Feststoffen erzeugte Gase in Frage. Unter Umständen können die Faltstrukturen auch durch Einfül¬ len von Flüssigkeiten, welche auch gleichzeitig die Funktion der Aushärtung der Rohre bewirken können, entfaltet werden, sofern, das Gesamtvolumen der Rohre nicht zu gross ist.

Da die Rohre 11 flexibel sein müssen und im entfalteten Zustand eine hohe Fe¬ stigkeit aufweisen sollen, verwendet man beispielsweise faserverstärkten Ver¬ bundwerkstoff für deren Aussenwände. Vorteilhafterweise verwendet man für die Rohre ein Material mit einer möglichst geringen Biegesteifigkeit, so dass die Rohre auch entlang der Längsachsen gefaltet und so möglichst flach zusammen¬ gelegt werden können. Die Aussenwände der Rohre können so gefertigt sein, dass das-Rohr im aufgeblasenen Zustand gekrümmt ist.

Zwischen den einzelnen Rohren 11 können Membranen befestigt sein, welche im entfalteten Zustand die eigentlichen Schutzwände 14 (Fig. lb) des Schutz¬ schildes 10 bilden. In der durch die Geometrie des aufgeblasenen Skeletts vorgegebenen Struktur sind diese Membranen fl chenhaft gespannt.

Es ist auch möglich durch die Formgebung der Membranen eine bestimmte leichte Krümmung eines Rohres im aufgeblasenen Zustand zu erreichen. Wird z. B. ein (gerades) Rohr entlang einer Membran-Kante, die eine Krümmung aufweist, be¬ festigt, so wird das Rohr nach der Inflation entlang dieser Kante mit der gleichen Krümmung verlaufen. Solcher assen kann die Struktur in ihrer Geo¬ metrie durch ein Zusammenwirken von Rohren und Membranen bestimmt werden.

Typischerweise liegen die Abmessungen-so!eher Schutzvorrichtungen im Bereich von 10 bis 15 Metern. Bei diesen Dimensionen werden Rohre mit Durchmessern von ca. 20 bis 50 cm verwendet. Für spezielle Anwendungen können selbstver¬ ständlich auch Elemente mit grösseren oder kleineren Massen eingesetzt werden. D3e Wandstärke hängt vom gewünschten Inπendruck ab und liegt im Bereich von ca. 1 Millimeter.

Selbstverständlich können auch starre Elemente, z.B. Befestigungs¬ vorrichtungen oder Luken, in die Struktur integriert werden, sofern dies nicht durch ein vorgegebenes Packvolumen ausgeschlossen ist.

Die Faltstrukturen können insbesondere auch als Träger technischer und wissenschaftlicher Sensoren und Geräte oder als Segelflächen verwendet werden, wobei hier im wesentlichen zweidimensionale An¬ ordnungen eingesetzt werden.

üblicherweise soll die Struktur nach einmaligem Aufblasen am Ein¬ satzort in seiner Form fixiert bleiben und nicht mehr zusammenge¬ legt werden. Eine solche Fixation wird vorzugsweise dadurch er¬ reicht, dass die Innenseiten der Rohre mit einem Laminat beschich¬ tet sind, das erst in Verbindung mit einem Katalysatorgas aushär¬ tet. Dieses Gas kann beim Aufblasen oder nachdem die Struktur be¬ reits die Endform angenommen hat beigemischt werden. Es besteht somit keine Notwendigkeit, den Gasdruck im Innern der Rohre über längere Zeit aufrechtzuerhalten. Es ist auch möglich, die Struktur nach der Inflation beispielsweise mittels eines sich verfestigenden Füllstoffs, der in die Hohlräume der Rohre eingelassen wird, zu fixieren.

Eine weitere Möglichkeit der Fixation besteht darin, dass die Mem¬ brane und/oder die Rohre durch Sonneneinwirkung bzw. thermische Einwirkung oder durch Zugabe eines Härters eine chemische oder physikalische Härtung erfahren und die Struktur dadurch stabil bleibt. Sofern nur die Membranen ausgehärtet werden, haben die Rohre nur während der Inflation eine Stützwirkung und dienen danach nur noch der Verbindung der einzelnen, nun zu Platten versteiften Mem¬ branen. Eine Kombination von Fixierung der Rohre und Härtung der Membranen ist ebenfalls möglich.

In den Figuren la und lb ist ein sphärenförmiges Wärmeschild dar¬ gestellt. Von einem festen Basisring 12 geht eine Vielzahl von Rip¬ pen 11 aus (Fig. la). Alle diese Rippen 11 münden in einen Ring 13. Sowohl der Ring 13 als auch diese Rippen 11 bestehen aus flexiblen Rohren und sind miteinander gasdicht verbunden, wobei die Rippen 11 direkt mit dem Ring 13 verklebt oder verschweisst sind. Die Rohre 11 sind so gefertigt, dass sie im aufgeblasenen Zustand eine Krüm¬ mung aufweisen und das Skelett so eine sphärische Form annimmt. Das Skelett wird über eine zentrale, nicht näher dargestellte Druck- quelle aufgeblasen. An den Rippen 11 ist eine Kunststoffolie 14 befestigt, die nach dem Aufblasen des Skeletts gespannt ist (Fig. lb). Diese Folie 14 weist beispielsweise eine reflektierende Be¬ schichtung auf und schützt die Nutzlast 15 vor einer schädlichen Wärmeeinstrahlung. Als Folie 14 kann auch ein mehrschichtiges oder mehrphasiges flexibles Tuch bzw. eine Folie (z.B. ^* MLI) verwendet werden.

Mit dem festen Basisring 12 kann das Thermoschutzsch ld an einem Trägerelement, an einem Raumfahrzeug oder auch an der Nutzlast sel¬ ber befestigt werden. Die Druckquelle und falls erforderlich das Aktivierungsmedium oder Füllmaterial für die Fixierung der Rohre sind in der Nutzlast oder dem Raumfahrzeug vorgesehen und über Verbindungsleitungen mit dem Skelett verbunden (nicht dargestellt in Fig. 1). Im Weltraum wird die zusammengelegte Struktur entspre¬ chend dem beschriebenen Verfahren entfaltet und fixiert.

Die Figuren 2a und 2b zeigen eine prismenähnliche Faltstruktur im aufgeblasenen Zustand. Die Grundfläche 21 ist durch Rohrstreben 22 gebildet,- welche die Kanten eines regelmässigen Zwölfecks bilden (Fig. 2b). In radialer Richtung sind zur Verstärkung weitere Stre¬ ben 23 angebracht, die in einem Befestigungsring 24 zusammenlaufen. Der eigentliche Schutzmantel 28 wird durch Längsstreben 25 aufge-

spannt, wobei von jedem Eckpunkt der Grundfläche eine solche Strebe

25 ausgeht.. Die andern Enden dieser Längsstreben 25 sind wiederum über Streben 26 gekoppelt, wobei diese in einer bezüglich der Längsachse geneigten Ebene liegen. Alle diese Streben 22, 23, 25,

26 bestehen aus flexiblen, aufblasbaren Rohren. Der Schutzmantel 28 kann aus einzelnen Abschnitten oder bei kleineren Strukturen auch aus einem Stück bestehen, die an den Längsstreben 25 und gegebenen¬ falls an den Ringstreben 22, 23 befestigt sind.

Um das Skelett mittels einer zentralen Druckquelle aufblasen zu können, werden die Koppelungselemente 27 zwischen den einzelnen Streben durch Rohrverbindungen gebildet. Diese können ebenfalls aus einem flexiblen Material bestehen oder aber auch starr sein, um beispielsweise den Winkel zwischen den Längsstreben 25 und der Grundfläche 21 zu definieren. Bei dem dargestellten Schutzschild sind deshalb starre Koppelungselemente 27 vorzuziehen, sofern man nicht zusätzliche Streben oder fixe Elemente vorsehen will um den rechten Winkel zwischen den Längsstreben 25 und der Grundfläche 21 zu erzielen.

Fig. 3 zeigt ein dem soeben, beschriebenen Wärmeschild ^" sehr ähnli¬ ches Schild bei dem jedoch die Form der Grundfläche durch zwei ent¬ sprechend geformte Membranen 30 erreicht wird, an deren äusseren Kanten zu einem Ring geschlossene Streben 31 befestigt sind. Durch Inflation des Raumes zwischen den beiden Membranen 30 werden diese gespannt und führen ebenfalls zu einer zwölfeckigen Grundfläche. In den Ausnehmungen 32 der Membranen 30 ist ein Befestigungsring 33 vorgesehen. Durch ein Aufblasen und Fixieren der Streben 31 kann eine zusätzliche Spannkraft erzielt werden. Um die Stabilität der Grundfläche zu erhöhen, können zudem die Membraninnenflächen bei¬ spielsweise mit einem aushärtenden Laminat beschichtet sein.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 4 dar¬ gestellt. Eine Abschirmung in Form eines Ikosaeders schliesst einen Raum ein in welchem definierte physikalische Bedingungen aufrecht¬ erhalten werden können, da dieser Raum gegenüber dem Weltall abge¬ schirmt werden kann. Die aufgeblasenen und fixierten Streben 41 halten die Struktur in dieser Form fest ohne dass im Innern des Körpers ein Ueberdruck bestehen üsste. Zwischen den Streben 41 ind dreieckför ige Kunststoffmembranen 42 gespannt. Da die ganze Struktur ^* unabhängig vom Innendruck im Körper stabil ist, besteht auch die Möglichkeit, Luken vorzusehen, die geöffnet und geschlos¬ sen werden können, um beispielsweise Experimentiervorrichtungen in das Innere des Körpers zu bringen. Von jedem Eckpunkt des Ikosa¬ eders gehen 5 Streben 41 weg, die untereinander über Koppelungs- glieder 43 verbunden sind, um die Inflation mittels einer zentralen Druckquelle zu ermöglichen. Um die Befestigung an einem Raumfahr¬ zeug zu ermöglichen, kann an einer Seitenfläche anstelle einer Kunststoffmembran eine Befestigungsvorrichtung 44 vorgesehen sein.

Figur 5 zeigt ein Beschattungsschild mit einer einfachen, im we¬ sentlichen zweidimensionalen Struktur. Das Schild weist eine kreis¬ runde Form auf. Entlang der Peripherie zweier Membranen 52 verläuft ein ringförmiges Rohr 51. Anstelle von zwei Membranen 52 könnte selbstverständlich nur eine einzige Membran gespannt sein. Der Schild ist über einen starren Arm 53 mit dem Raumfahrzeug verbunden und schirmt die Nutzlast 54 gegenüber Sonneneinstrahlung ab.

In Figur 6 ist eine Ausführungsform eines Koppelungsgliedes 60 dargestellt. Im dargestellten Beispiel werden drei rohrförmige, an ihren Enden offene Streben 61, 62, 63 miteinander verbunden. Dabei sind diese Streben an ihren offenen Stirnseiten 67 mit dem Koppe¬ lungsglied 60 verklebt oder verschweisst. Um die Stabilität dieser Übergangsstellen zu erhöhen, können an der Aussenseite Verstär-

kungsringe oder andere Verstärkungselemente 65 angebracht werden. Soll beispielsweise die Strebe 61 erst nach den beiden anderen Streben aufgeblasen werden, so ist es möglich, eine Membran oder ein entsprechendes Ventil 66 in dieser Strebe oder im Koppelungs¬ glied 60 vorzusehen. Wird nun Gas aus einer Druckquelle über die Strebe 62 zugeführt, so werden zuerst diese und die Strebe 63 auf¬ geblasen und erst beim Erreichen eines bestimmten, durch die Mem¬ bran oder das Ventil 66 definierbaren Gasdruckes findet auch eine Inflation der Strebe 61 statt.

Bei komplexen Faltstrukturen können, um die Zuverlässigkeit einer korrekten Entfaltung im Weltall zu steigern, auch gesteuerte Ven¬ tile verwendet werden, so dass die zeitliche Abfolge des Aufblasens verschiedener Teile der Faltstruktur genau festgelegt werde-n kann.

Figur 7 zeigt das Beispiel eines Schnittmusterszur Herstellung ei¬ nes Übergangsstückes oder Koppelungsgliedes zur Verbindung von vier Rohrstreben. Da die Knotenpunkte zwischen den Rohren einer verhält¬ nismässig grossen Belastung ausgesetzt sind, werden an deren Ferti¬ gung grosse Anforderungen gestellt. Deshalb erweist es sich als zweck ässig, möglichst wenige Kleb- oder Schweissstellen in den Knotenpunkten anzubringen. Die Herstellung des Übergangsstückes aus einem Stück eines flexiblen Materials, z.B. faserverstärktem Ver¬ bundwerkstoff, erfolgt nach topologischen Gesichtspunkten, indem die Abwicklung des dreidimensionalen Übergangsstückes bestimmt wird. Die sich entsprechenden geraden Kanten (71, 72, 73) des dar¬ gestellten Schnittmusters (70) werden je miteinander verbunden, so dass ein dreidimensionales Uebergangsstück mit vier kreisförmigen Oeffnungen entsteht, an welche je ein Rohr anschliesst.

Ausserdem ist es denkbar, dass sowohl die Rohre als auch die Über¬ gangsstücke des Skelettes aus einem Stück gefertigt werden, um un¬ nötige Kleb- oder Schweissstellen zu vermeiden.

Obwohl die Erfindung bisher im wesentlichen anhand von Schutzvor¬ richtungen erläutert wurde, kann die Faltstruktur insbesondere auch als Träger technischer und wissenschaftlicher Sensoren und Geräte oder als Segelfläche verwendet werden.