Die Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung zum Verstellen von zu orientierenden Bauteilen eines Raumfahrzeugs, wie z.B. Triebwerken, Antennen oder Solarpaneelen eines Satelliten.

Zur Fortbewegung von Raumfahrzeugen im Weltraum werden chemische oder elektrochemische Triebwerke eingesetzt. Auch zur Kor- rektur von Fehlstellungen eines Satelliten ist es bekannt, am Satelliten eine Reihe von Triebwerken anzuordnen. Die chemischen Triebwerke bekannter Bauart werden in der Regel pulsierend betrieben, um auf diese Weise Fehlstellungen zu korrigieren. Wesentlich für die Korrektur von Fehlstellungen und für die Fortbewegung von Raumfahrzeugen im Weltraum ist es, dass unerwünschte Bewegungen, insbesondere unerwünschte Rotationsbewegungen, während des Betriebs oder in Folge des Betriebs des Triebwerkes mit Sicherheit verhindert werden. Die Triebwerke müssen daher in exakter Weise ausgerichtet werden, wobei die Triebwerkskräfte mit dem sich im Betrieb veränderlichen Schwerpunkt des Satelliten in fluchtende Relation gebracht werden müssen. Da die Schwerpunktslage selbst sich beispielsweise durch Verbrauch von Treibstoff verändert und umgekehrt auch die Triebwerke in ihrer axialen Ausrichtung, bedingt durch äußere Einflüsse und durch Verschleiß der Triebwerke, Änderungen unterworfen sind, muss die relative Lage der durch Betätigung des Triebwerkes wirksamen Kräfte in Relation zum sich ändernden Schwerpunkt aufgrund von resultierenden Bewegungen des Satelliten immer wieder erfasst werden, um auf diese Weise weitere Korrekturmaßnahmen zu setzen. Wesentlich für derartige Korrekturen ist aber eine einfache, betriebssichere und leichte Antriebseinrichtung, mit welcher die gewünschten Korrekturen durch Ausrichtung von Triebwerken vorgenommen werden können.

Neben Triebwerken sind auch andere Bauteile, wie beispielsweise Antennen oder Solarpaneele, im Bedarfsfalle zu orientieren, wobei auch hier ein kompakter, einfach bauender und möglichst störungsunempfindlicher Antrieb auch zur Bewegung größerer Einrichtungen gefordert wird.

Stelleinrichtungen für Triebwerke, Antennen oder Solarpaneele haben auch die Aufgabe diese Bauteile mit dem Raumfahrzeug mechanisch zu verbinden, und zwar mit einer solchen Steifigkeit, dass die Startlasten eines Raketenstarts ertragen werden und Störmomente im Betrieb sich nicht auf die Präzision der Ausrichtung auswirken.

Stelleinrichtungen für Triebwerke und dgl. der eingangs genannten Art sind in verschiedenen Ausbildungen bereits bekannt geworden .

Vier-Gelenks-Bogen

Die Triebwerksplatte ist einseitig über ein Kugelgelenk mit dem Raumfahrzeug verbunden. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Triebwerksplatte als Teil eines Vier-Gelenks-Bogens mit dem Raumfahrzeug verbunden, wobei die beiden raumfahrzeugseitigen Anlenkpunkte einachsig verschieblich am Raumfahrzeug angeordnet sind.

Kardanische Aufhängung

Die Triebwerksplatte ist um zwei nicht-parallele Achsen karda- nisch drehbar aufgehängt. Die rotatorischen Achsen werden motorisch gestellt, sodass die Wirkrichtung des Kraftvektors des Triebwerks eingestellt werden kann. Bei dieser Art der Stelleinrichtung werden alternativ zu rotatorischen Antrieben auch mindestens zwei Linearantriebe verwendet, die dann zwischen Raumfahrzeug und Triebwerksplatte angeordnet sind. Solche Stelleinrichtungen finden bei Trägerraketen Verwendung.

Hexapod

Drei Punkte der Triebwerksplatte sind mit drei Punkten am Raumfahrzeug kreuzweise gelenkig verbunden, wobei einige, oder alle dieser Verbindungsstreben mit Linearaktuatoren verstellbarer Länge ausgeführt sind. Werden alle sechs Verbindungen durch Li- nearaktuatoren realisiert, kann die Triebwerksplatte in sechs Freiheitsgraden bewegt werden.

Parallelogrammführung

Für eine vornehmlich translatorische Verstellung der Triebwerksplatte werden als Parallelogramm oder Trapez ausgeführte Vier-Gelenks-Bögen verwendet, wobei die Winkellage zwischen zwei Elementen dieser Vier-Gelenks-Bögen einstellbar ausgeführt ist. Eine Anordnung von zwei derartigen Einrichtungen erlaubt eine translatorische Einrichtung der Triebwerke in zwei Richtungen.

Kreuztisch

Die Triebwerksplatte baut auf zwei, durch Linearantriebe aktu- ierte, Verstelltische auf. Die Verstelltische sind übereinander angeordnet, wobei deren Translationsachsen im rechten Winkel zueinander stehen, wodurch eine lineare Verschiebung der Trieb- werksplatte in zwei Achsen ermöglicht wird. Die Abstützung der Triebwerksplatte auf dem oberen Verstelltisch und die Abstützung des oberen Verstelltisches auf dem unteren Verstelltisch erfolgen über Linearführungen, welche beiderseits des mittig am Verstelltisch angeordneten Linearantriebes vorgesehen sind.

Generell werden an Triebwerkstelleinrichtungen für Raumfahrzeuge folgende Anforderungen gestellt.

Die Stelleinrichtungen sollen eine lineare Verstellung der Triebwerke in zwei Richtungen einer Ebene und eine Verdrehung der Triebwerksplatte ermöglichen. Weiters soll die Triebwerksstelleinrichtung während des Startvorganges eine sichere und stabile Verbindung der Triebwerke mit dem Raumahrzeug sicherstellen. Während des Starts, bei dem keine Verstellung der Triebwerke erforderlich ist, sollen die Startlasten übertragen werden können. Zu diesem Zweck ist meist die Verwendung einer gesonderten Haltevorrichtung, eines sogenannten "Hold Down and Release Mechanismus" , vorgesehen, der die Triebwerke relativ zum Raumfahrzeug in einer vorgegebenen Position hält und abstützt und die Stelleinrichtungen dadurch von den beim Start auftretenden Kräften entkoppelt bzw. entlastet. Die Steifigkeit während des Starts soll beispielsweise zu einer Eigenfrequenz der Triebwerksstelleinrichtung, inklusive der Triebwerke, im Bereich von 70 Hertz führen.

Nach dem Start und vor der Aktivierung der Triebwerkstelleinrichtung soll ebenfalls eine ausreichend hohe Steifigkeit vorhanden sein, um Störkräfte und Störmomente aus Isolation, Verrohrung und elektrischen Leitungen überwinden zu können und um Resonanzphänomene zu unterbinden. Die Eigenfrequenz im Be- triebszustand der Triebwerke soll beispielsweise über 3 Hertz betragen.

Weiters ist es vorteilhaft, wenn der Aufbau der Triebwerkstelleinrichtung eine Distanzierung der Triebwerke von der Stellein- richtung ermöglicht, um in diesem Zwischenraum die Anbringungen einer thermischen Isolation, wie z.B. Strahlungsschilde, Mehrlagenisolation oder thermische Barrieren, vorsehen zu können.

Die Triebwerkstelleinrichtung soll weiters mit einer Mindestan- zahl an Aktuatoren auskommen, um eine hohe Zuverlässigkeit der Triebwerkstelleinrichtung zu erzielen. Außerdem ist eine geringe Masse der Triebwerkstelleinrichtung erstrebenswert.

Kein Teil der Triebwerkstelleinrichtung soll sich oberhalb der Triebwerksplatte befinden, sodass die Triebwerke ihre Abwärme frei abstrahlen können.

Die Triebwerkstelleinrichtung soll radial so gering wie möglich über die geometrischen Abmaße der Triebwerksplatte hinausragen, um den erforderlichen Freiraum für die Verstellbewegungen zu gewährleisten . Die Ausführung und Übersetzung der Stellantriebe soll eine spielfreie Betätigung der Triebwerksverstellung ermöglichen.

Die Triebwerkstelleinrichtung soll aus Standardkomponenten be- stehen. Dadurch wird nicht nur der Entwicklungsaufwand für die Triebwerkstelleinrichtung reduziert. Die Anwendung von Komponenten, für die es bereits Erfahrungswerte im Betrieb im Weltall gibt, reduziert auch das Risiko, das mit der Neuentwicklung solcher Einheiten einhergeht.

Die Triebwerkstelleinrichtung soll aus Materialen gebaut werden können, die standardmäßig im Raumfahrtbereich eingesetzt werden und die ein günstiges Ausgasverhalten besitzen.

Zusätzlich zu der Aufgabe der translatorischen Verstellung der Triebwerksachsen in der Ebene und der Rotation der Triebwerke um die Kraftvektorachse, kann eine Ausklappung der Einzeltriebwerke um eine Achse normal zum Kraftvektor gefordert sein.

Kommt zur Erzielung einer ausreichenden Start-Steifigkeit wie oben erwähnt eine Haltevorrichtung ( "Hold Down and Release Mechanismus) zum Einsatz, so soll der Lastpfad direkt von den Triebwerken zum Raumfahrzeug geleitet werden und nicht über die Aktuatoren, sodass die Aktuatoren nicht den Inertiallasten der Triebwerke während des Starts ausgesetzt sind.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Antriebseinrichtung zum Verstellen von zu orientierenden Bauteilen eines Raumfahrzeugs, insbesondere von Treibwerken eines Satelliten, dahingehend zu verbessern, dass möglichst vielen der oben erwähnten Anforderungen entsprochen wird, wobei gleichzeitig eine kompakte und einfache Bauweise erreicht werden soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich die Antriebseinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch aus, dass der Verstellantrieb wenigstens zwei, vorzugsweise drei hintereinander angeordnete Rotationsantriebseinrichtungen aufweist, die derart miteinander verbunden sind, dass jeweils ein von einer der Rotationsantriebseinrichtungen rotierend angetriebener Lenker mit der nächstfolgenden Rotationsantriebseinrichtung verbunden ist und die Rotationsachsen zweier aufeinander fol- gender Rotationsantriebseinrichtungen jeweils parallel und in Abstand voneinander verlaufen. Im Falle von Triebwerken verlaufen die Rotationsachsen bevorzugt parallel zum Kraftvektor der Triebwerke .

Dadurch, dass der Verstellantrieb wenigstens zwei, vorzugsweise drei Rotationsantriebseinrichtungen, die vorzugsweise als Elektromotoren bzw. Stellmotoren ausgebildet sein können, um- fasst, kann auf die Verwendung von Linearantrieben vollständig verzichtet werden. Rotationsantriebseinrichtungen sind typi- scherweise einfacher in der Ausführung, beanspruchen weniger Bauraum, weniger Masse und verfügen über eine höhere Zuverlässigkeit als lineare Aktuatoren. Die erfindungsgemäße Ausbildung benötigt außerdem keine Kugelgelenke zur Einrichtung der Triebwerke und kommt ohne zusätzliche Umlenkhebel, Spannteile oder Seilzüge aus. Die translatorischen Freiheitsgrade werden dabei auf rotatorische Freiheitsgrade zurückgeführt, indem jeweils ein von einer der Rotationsantriebseinrichtungen rotierend angetriebener Lenker mit der nächstfolgenden Rotationsantriebseinrichtung verbunden ist. Die einzelnen Lenker können beispielsweise als Exzenterplatten ausgebildet sein. Mit zwei der jeweils mit einem Lenker versehenen Rotationsantriebseinrichtungen, gelingt bereits in Abhängigkeit vom jeweiligen Drehwinkel der beiden Rotationsantriebsvorrichtungen eine Verstellung des zu orientierenden Bauteils in der normal auf die Rotationsachsen verlaufenden Ebene. Das Anordnen einer dritten Rotationsantriebseinrichtung in Serie mit den anderen Rotationsantriebseinrichtungen führt zusätzlich zur Möglichkeit, den zu orientierenden Bauteil um die Achse der dritten Rotationsantriebseinrichtung zu drehen. Insgesamt können mit lediglich drei Rotationsantriebseinrichtungen drei Freiheitsgrade ermöglicht werden (Verschieben in zwei Richtungen und Verdrehen um die Rotorachse). Auf Grund der geringen Anzahl an Rotationsan- triebseinrichtungen kann die Fehleranfälligkeit im Vergleich zu herkömmlichen Verstellantrieben wesentlich gesenkt werden.

Dabei ist die Ausbildung mit Vorteil derart weitergebildet, dass die erste der hintereinander angeordneten Rotationsantriebseinrichtungen mit dem Raumfahrzeug starr verbunden ist und die letzte der hintereinander angeordneten Rotationsantriebseinrichtungen den zu orientierenden Bauteil trägt.

Dadurch, dass die Rotationsachsen der Rotationsantriebseinrichtungen parallel zueinander verlaufen, ergibt sich eine kompakte Ausbildung, bei welcher der Antrieb unterhalb der Triebwerksebene untergebracht werden kann, wobei der Antrieb die Abmaße der Triebwerksplatte gar nicht oder nur geringfügig in lateraler Richtung überschreitet. Dadurch, dass der Antrieb unterhalb der Triebwerksebene untergebracht werden kann, besteht die Möglichkeit, eine ausreichende Beabstandung zwischen dem Triebwerk und dem Verstellantrieb zu erreichen, wobei der dadurch entstehende freie Bauraum beispielsweise für eine ther- mische Isolation gegen Wärmestrahlung und Wärmeleitung genützt werden kann. Der zu orientierende Bauteil kann hierbei bevorzugt an einer Stellplatte des Verstellantriebs festgelegt oder mit dieser verbunden sein.

Eine derartige den zu orientierenden Bauteil tragende Stellplatte kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung auch um eine zur Rotationsachse der Rotationsantriebseinrichtungen orthogonale Achse schwenkbar gelagert sein, um eine Ausrichtung des zu orientierenden Bauteils bzw. Triebwerks zu ermöglichen. Mit Vorteil ist dabei das Gelenk für die schwenkbare Festlegung der Stellplatte mit Hilfe von Federarmen an einem mit dem letzten der hintereinander angeordneten Rotationsantriebseinrichtungen verbundenen Rotor festgelegt. Auf Grund der Federarme erfolgt eine selbsttätige Ausschwenkung des Triebwerks in eine vorgege- bene Position, sobald die stellplatte aus der ggf. für den Startvorgang des Raumfahrzeugs fixierten Lage freigegeben wird. Beim Start eines Raumfahrzeugs treten sehr hohe Kräfte auf, die, wenn sie auf den Verstellantrieb bzw. dessen Bauteile wirken würden, zu einer Beschädigung desselben führen würden. Um die Übertragung der Startlasten auf verstellbare Teile eines Raumfahrzeugs zu verhindern, sind gesonderte Halteeinrichtungen bekannt geworden, mit welchen die relativ zueinander verstellbaren Bauteile in einer vorgegebenen Position zueinander starr gehalten und fixiert werden können. Die erfindungsgemäße Ausbildung ist in diesem Zusammenhang derart weitergebildet, dass ein raumfahrzeugfester Bauteil und ein mit dem zu orientierenden Bauteil starr verbundener Teil, insbesondere die Stellplatte, Anschlüsse für eine Haltevorrichtung zum lösbaren Fixieren der genannten Bauteile in einer miteinander fluchtenden Position aufweist. Die Haltevorrichtung kann die die Anschlüsse auf- weisenden Bauteile umgreifend ausgebildet sein. Derartige Haltevorrichtungen werden auch als "hold-down and release mecha- nism" bezeichnet und sind beispielsweise in der EP 1 255 675 Bl beschrieben.

Eine besonders bevorzugte Ausbildung ergibt sich, wenn die die Anschlüsse aufweisenden Teile ein Gehäuse für die Rotationsantriebseinrichtungen bilden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in der Zeichnung dar- gestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In dieser zeigen Fig.l eine erste Ausbildung der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung, bei der zwei Triebwerke mit parallelen Kraftvektoren angeordnet sind, und Fig.2 eine abgewandelte Ausbildung, bei welcher zwei Triebwerke um eine zusätzliche Achse orthogonal zur Kraftvektorrichtung des Triebwerks klappbar angebracht sind.

In Fig.l ist ein raumfahrzeugfester Bauteil, insbesondere ein Raumfahrzeugflansch, mit 1 bezeichnet. Auf dem Raumfahrzeug- flansch 1 ist eine erste Rotationsantriebseinrichtung 2 montiert, mit deren rotierend antreibbaren Teil drehfest ein Lenker 3 verbunden ist. Der Lenker 3 trägt eine zur Rotationsan- treibseinrichtung 2 exzentrisch angeordnete Rotationsantriebseinrichtung 4, wobei die Rotationsachse der Rotationsantriebseinrichtung 4 parallel und in Abstand zur Rotationsantriebseinrichtung 2 verläuft. Über einen weiteren Lenker 3 ist die triebwerksnahe Rotationsantriebseinrichtung 5, ebenfalls drehachsenparallel und mit definiertem Achsabstand versehen, angebracht. Die triebwerksnahe Rotationsantriebseinrichtung 5 ist mit einer Stellplatte 6 verbunden, die an eine Triebwerksplatte 8 thermisch schlecht leitend angebunden ist. Die Trieb- werksplatte 8 trägt ein Triebwerk 9. Weiters sind Anschlüsse 7 für eine Haltevorrichtung ("Hold Down and Release Mechanismus") vorgesehen, die an einem raumfahrzeugfesten Teil 12 und einem Gegenstück 13 ausgebildet sind, das mit der Stellplatte 6 verbunden ist.

Die translatorische Einstellung des Kraftvektors in der Ebene rechtwinklig zur Drehachse der Rotationsantriebseinrichtungen 2, 4 und 5, d.h. eine Parallelführung der Stellplatte 6 normal zur Aktuatorachse und der Triebwerksplatte 8 relativ zum Raum- fahrzeug, ergibt sich aus den Winkelstellungen der beiden Rotationsantriebseinrichtungen 2 und 4. Mit der Rotationsantriebseinrichtung 5 ist die rotatorische Lage der Stellplatte 6 und der Triebwerksplatte 8 einstellbar. Dabei ist der Abstand der Rotationsachsen zweier aufeinander folgender Rotationsan- triebseinrichtungen jeweils gleich gewählt, sodass die Rotationsachse der Rotationsantriebseinrichtung 2 in der in Fig. 1 dargestellten Ausgangsposition mit der Achse der Rotationsantriebseinrichtung 5 fluchtet.

in einer weiteren Ausführung (Fig.2) ist die triebwerksnahe Rotationsantriebseinrichtung 5 über Federarme 11 und Gelenke 14 mit einer Stellplatte 6a verbunden, sodass die Triebwerksplatten 8 geklappt werden können. Die Federarme 11 durchsetzten hierbei eine Ausnehmung der Stellplatte 6a, sodass die Stell- platte 6a in Richtung des Pfeils 15 von dem an der triebwerksnahen Rotationsantriebseinrichtung 5 fest angebrachten Rotor 10 weggeklappt werden kann. Bei dieser Ausführung ist der An- Schluss für den "Hold Down and Release Mechanismus" 7 ebenfalls zwischen den mit der Triebwerksplatte 8 verbundenen Teilen 13 und einer raumfahrzeugfesten Struktur 12 ausgeführt, sodass der Lastpfad der Startlasten direkt vom Raumfahrzeug zu den Trieb- werksplatten 8 verläuft und die Aktuatoren und die Gelenke nicht die Inertiallasten der Triebwerke 9 während des Starts übertragen müssen.

Die Aktivierung des Klappmechanismus der Stellplatten 6 bzw. Triebwerksplatten 8, erfolgt über einen entsprechenden Aktuator ("Release Actuator" ) 16 mit Federmotor oder anderem Antrieb. Dieser bildet mit den Stellplatten 6a und dem an der triebwerksnahen Rotationsantriebseinrichtung 5 fest angebrachten Rotor 10 bis zum gewünschten Auslösezeitpunkt des Klappmechanis- mus einen festen Verbund. Am fest angebrachten Rotor 10 erfolgt auch die Abstützung der Gelenke 14.

Insgesamt wird durch die Erfindung ein einfach aufgebauter Verstellantrieb geschaffen, bei dem die Verbindung der Triebwerks- platten mit einer raumfahrzeugfesten Struktur durch ein Klemmband oder einen "release actuator" möglich ist, sodass die Übertragung der Startlasten nicht zwangsweise durch die Rotationsantriebseinrichtungen erfolgen muss. Erfolgt die Ausführung der Triebwerkstelleinrichtung mit um eine zum Kraftvektor der Triebwerke geneigte Achse lateral ausklappbaren Triebwerken, so erfolgt auch bei dieser Ausführung die Übertragung der Startlasten direkt von einer raumfahrzeugfesten Struktur hin zur Treibwerksplatte und die Gelenke und Rotationsantriebseinrichtungen sind von den Inertiallasten der Triebwerke während der Startvibration des Raumfahrzeugs entlastet.

Der Bereich der Triebwerkstelleinrichtung, der die translatori- sche Verstellbewegung ausführt, ist entlang einer Ebene rechtwinklig zu den Rotationsachsen der Rotationsantriebseinrichtun- gen von der raumfahrzeugfesten Struktur getrennt, sodass die konstruktive Ausführung der Einzelteile der Triebwerkstelleinrichtung keinen Einschränkungen, beispielsweise aufgrund von räumlichen Interferenzen während der Bewegung der Triebwerksplatte, unterliegt.

Sowohl für die Rotationsantriebseinrichtungen, als auch für die "Hold Down and Release" Einrichtung und auch für die Freigabe- Einrichtung für die beschriebene klappbare Ausführung sind weltraumerprobte Standardkomponenten am Markt erhältlich, so- dass aufwändige Entwicklungen entfallen und Komponenten nachgewiesener Zuverlässigkeit eingesetzt werden können, wodurch sich die Zuverlässigkeit der gesamten Triebwerkstelleinrichtung erhöht.