一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼

一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼

《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》是上海宇航系統工程研究所於2020年1月21日申請的發明專利,該專利申請號為2020100706316,公布號為CN111262517B,專利公布日為2020年12月18日,發明人是何文松、羅斌、施飛舟等。

《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》公開了一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,包括:抬升機構、伸展機構、兩個柔性太陽電池陣等部件。該發明具有收攏包絡小、展開面積大、展開構型穩定的優點,適用於大功率太空飛行器平台。

2022年7月22日,《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》獲得第二十三屆中國專利銀獎。

(概述圖為《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》的摘要附圖)

基本介紹

  • 中文名:一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
  • 公布號:CN111262517B  
  • 公布日:2020年12月18日  
  • 申請號:2020100706316  
  • 申請日:2020年1月21日  
  • 申請人:上海宇航系統工程研究所  
  • 地址:上海市閔行區金都路3805號  
  • 發明人:何文松、羅斌、施飛舟、王治易、鹹奎成、程雷、崔琦峰、張雷、馬季軍、付清山、倪嘯楓、霍傑、彭志龍、許文彬、殷愛平、宋佳、蔣秋香、王威、袁偉、鄭宗勇、湯亮、顧珏華  
  • 代理機構:中國航天科技專利中心  
  • 代理人:楊春穎  
  • Int.Cl.:H02S30/20(2014.01)  
  • 類別:發明專利  
專利背景,發明內容,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,實施例1,實施例2,實施例3,實施例4,榮譽表彰,

專利背景

隨著中國航天技術發展,太空飛行器對功率需求日益劇增。如通信衛星、電子偵察衛星等對發電功率需求超過了10千瓦,大型天基雷達衛星、深空探測電推進衛星對電能的需求高達40千瓦,中國未來空間站功率需求甚至達到了百千瓦量級。以未來某型號空間站為例,該某型號空間站的三個艙(核心艙、實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ)需配合多套太陽電池翼共同使用,多套太陽電池翼作為空間站發電裝置,以支撐空間站的正常運行。
2020年1月之前,國內外現多採用剛性、半剛性的傳統太陽電池翼。然而,傳統太陽電池翼受制於收攏布局、展開方式、展開基頻等約束條件,其展開面積和發電功率受到極大限制,很難在保證足夠大展開面積的同時滿足收攏包絡要求和承載要求,存在收攏包絡大、重量重、功率低等問題。
相對而言,柔性太陽電池翼具有高功率質量比和高功率體積比的技術優勢,將成為大功率飛行器的優選方案之一。2020年1月之前國內柔性太陽電池翼還未有在軌工程套用的先例。國際空間站採用了8個柔性太陽電池翼作為發電裝置,使用四邊形盤繞式伸展機構支撐雙邊柔性陣構型,太陽翼通過太空梭運送至國際空間站,並通過航天員出艙進行組建和展開。日本ADEOS—II和HIMAT衛星採用了單邊陣的柔性太陽電池翼構型,受限於收攏狀態包絡,展開後寬度方向的利用率不足,若要實現大面積展開則需要採用更長的伸展機構,動力學特徵和承載能力較差。
綜上,隨著空間科學技術的飛速發展,各種大功率的科研設備對太空飛行器平台的功率提出了更高、更大的需求,傳統的剛性、半剛性太陽翼很難在保證大功率的情況下滿足高剛度、輕質量、高收納比等複雜使用要求,而傳統的柔性太陽電池翼非全自動展開或者展開面積和剛度受限。因此,必須採用一種新型機械結構的柔性太陽電池翼。

發明內容

技術方案

《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》包括:抬升機構、伸展機構、柔性太陽電池陣、壓緊釋放裝置和箱體展開鎖定機構;其中,柔性太陽電池陣,包括:第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣;伸展機構頂部兩端分別連線第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣,底部與抬升機構連線;初始狀態時,第一柔性太陽電池陣、第二柔性太陽電池陣、伸展機構之間平行,且第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣關於伸展機構對稱;伸展機構和柔性太陽電池陣上分別設定有多個壓緊點,壓緊釋放裝置設定在相應的壓緊點位置處,通過在壓緊點處施加壓緊力,實現對伸展機構和柔性太陽電池陣的壓緊;伸展機構頂部兩端與第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣的連線位置處設定有箱體展開鎖定機構,用於將柔性太陽電池陣向兩側展開到位並鎖定。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,抬升機構,包括:固定關節、轉動關節、抬升機構驅動組件和鎖定組件;固定關節與轉動關節同軸設計,採用軸承連線,構成轉動副;轉動關節相對固定關節轉動,進而帶動大面積柔性太陽電池翼的整體轉動,將大面積柔性太陽電池翼變位至與艙體垂直狀態;抬升機構驅動組件與轉動關節連線,為轉動關節的轉動提供驅動力矩;鎖定組件與轉動關節連線,在轉動關節至設定位置處時,實現對轉動關節的鎖止。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,鎖定組件,包括:鎖定銷、滑道和鎖定孔;鎖定銷位於滑道內,可在滑道內滑動;在轉動關節至設定位置處時,鎖定銷插入鎖定孔內,實現轉動關節的鎖止。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,伸展機構,包括:伸展臂、收藏筒和伸展機構驅動組件;伸展機構驅動組件設定在收藏筒外側,伸展機構驅動組件輸出力矩,將伸展臂從收藏筒中一維有序展開並鎖定,伸展機構驅動組件反向轉動,將伸展臂收攏至收藏筒中。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,柔性太陽電池陣,包括:上箱體、下箱體、約束釋放機構、張緊機構、導向機構和電池板;上箱體和下箱體平行設定,在收攏狀態下,電池板收納在上箱體和下箱體之間;
約束釋放機構一端安裝在上箱體上,另一端安裝在下箱體上;其中,在收攏狀態下,約束釋放機構鎖緊,將上箱體和下箱體壓緊,進而將整個電池板壓緊;在入軌後,約束釋放機構解鎖釋放,解除對上箱體和下箱體的約束,進而解除整個電池板的約束;張緊機構安裝在上箱體上,當電池板全部展開後,張緊機構對電池板施加張緊力,確保柔性太陽電池陣的在軌剛度;導向機構安裝在下箱體上,導向機構的導向繩貫穿於整個電池板,以保證柔性太陽電池陣展收過程的平穩性。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,電池板,包括:柔性基板、琴鉸、電池電路和柔性電纜;多個柔性基板通過琴鉸串聯嚙合,兩個相鄰柔性基板以琴鉸為中心軸旋轉實現展開和收攏;電池電路和柔性電纜均布在柔性基板的正面。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,張緊機構,包括:張緊機構卷簧組件、張緊機構繞線輪和張緊繩;張緊機構卷簧組件安裝在上箱體外側,並與張緊機構繞線輪同軸布置;張緊繩與電池板共面,張緊繩的一端與柔性基板連線,另一端固定在張緊機構繞線輪上。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,導向機構,包括:導向機構卷簧組件、導向機構繞線輪和導向繩;導向機構卷簧組件安裝在下箱體外側,並與導向機構繞線輪同軸布置;導向繩布置在柔性基板的背面,導向繩一端與上箱體連線,另一端固定在導向機構繞線輪上。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,箱體展開鎖定機構,包括:上箱體展開鎖定機構和下箱體展開鎖定機構;上箱體展開鎖定機構一端與伸展臂的頂部連線,另一端與上箱體連線;下箱體展開鎖定機構一端與收藏筒連線,另一端與下箱體連線;兩個下箱體展開鎖定機構分別設定在伸展機構兩側;每個下箱體展開鎖定機構兩側分別設定一個上箱體展開鎖定機構;其中,各下箱體展開鎖定機構的旋轉軸與對應的左右兩側的上箱體展開鎖定機構的旋轉軸同軸設定,在下箱體展開鎖定機構展開時,上箱體展開鎖定機構跟隨展開進而鎖定。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,上箱體展開鎖定機構,包括:公鉸鏈、母鉸鏈、轉動軸和鎖定桿;公鉸鏈和母鉸鏈通過轉動軸形成轉動副,具有轉動展收的功能;公鉸鏈與上箱體連線,母鉸鏈與伸展臂連線;展開到位後,鎖定桿鎖定。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,下箱體展開鎖定機構,包括:固定端、轉動端、驅動傳動組件和鎖定機構;驅動傳動組件提供驅動力矩,使轉動端繞固定端旋轉運動;鎖定機構在轉動端旋轉運動至設定位置後,實現對轉動端的鎖止。
在上述伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼中,壓緊釋放裝置,包括:依次連線的火工裝置、壓緊桿組件和分離組件;在大面積柔性太陽電池翼的發射段,通過施加在壓緊桿組件上的預緊力,將伸展機構和柔性太陽電池陣壓緊在艙體側壁上;入軌後,火工裝置解鎖,壓緊桿組件在分離組件作用下抽出,實現大面積柔性太陽電池翼與艙體的解鎖分離。
《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》還公開了大面積柔性太陽電池翼的展開方法,其特徵在於,初始狀態,抬升機構、伸展機構和柔性太陽電池陣依次連線,並通過壓緊釋放裝置壓緊收攏。
展開步驟有:壓緊釋放裝置解鎖,大面積柔性太陽電池翼與艙體之間解鎖;抬升機構工作,將大面積柔性太陽電池翼變位至與艙體垂直狀態;兩側的箱體展開鎖定機構同步開始工作,帶動兩側的第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣展開並鎖定;第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣上的約束釋放機構工作,解除第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣上的上箱體和下箱體之間的約束;伸展機構沿艙體徑向直線伸展,帶動第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣同步展開;同時,導向機構工作,限制電池板向外運動,直至第一柔性太陽電池陣和第二柔性太陽電池陣完全展開,並且將張緊機構展開一定距離,施加預緊力。

改善效果

《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》具有以下優點:
(1)該發明基於壓緊釋放裝置實現了對該大面積柔性太陽電池翼的壓緊收攏,收攏狀態的柔性太陽電池陣布置在伸展機構前端,收攏尺寸小;進一步的,在伸展機構和箱體展開鎖定機構的共同作用下,實現了柔性太陽電池陣的可靠展開,構型穩定、基頻高,整翼展開後面積大:長度可達10~30米、整翼寬度可達5~8米、可布片區域面積可達40~100平方米。
(2)該發明採用柔性基板構造柔性太陽電池陣,由於柔性基板尺寸薄,且面對面整體壓緊,因此基板數量基本不影響收攏狀態柔性太陽電池陣的厚度,故而可通過調整柔性基板數量,在收攏包絡基本不變的條件下根據功率需求設計展開面積,進而滿足大面積(展開長度與展開寬度的乘積不小於50平方米)展開的需求,具有收攏包絡小、展開收攏比大、功率重量比大等優點。
(3)該發明採用伸展機構支撐雙邊柔性太陽電池陣的結構形式,可根據艙體構型對太陽電池翼收攏構型進行設計,構型可設計性強。
(4)該發明採用高剛度、高強度的壓緊釋放裝置對太陽電池翼壓緊,壓緊釋放裝置承載能力可以達到48KN,具有發射段承受載荷能力高的技術優勢。
(5)該發明採用約束釋放機構整體壓緊方式保護電池板,可以在發射段有效保護電池電路和柔性電纜。
(6)該發明採用五步展開方式全自動在軌展開,具有展開速度可控(展開速度可控制在0.2~1米/分鐘)、展開過程穩定、展開可靠性高等優點。
(7)該發明採用具有原子氧防護層保護的柔性基板,具有耐空間環境性能優良、長壽命等優點,低軌運行壽命由原來的3年增加到15年。

附圖說明

圖1是《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》實施例中柔性太陽電池翼初始狀態的總體結構示意圖;
圖2是柔性太陽電池翼的側視圖;
圖3是實施例中一種抬升機構的結構示意圖;
圖4是圖3中位置A處的放大圖;
圖5是實施例中一種伸展機構的結構示意圖;
圖6是實施例中一種柔性太陽電池陣的結構示意圖;
圖7是實施例中一種約束釋放機構的結構示意圖;
圖8是圖7中位置B處的放大圖;
圖9是實施例中一種電池板的結構示意圖;
圖10是實施例中一種柔性基板的結構示意圖;
圖11是實施例中一種張緊機構的結構示意圖;
圖12是實施例中一種導向機構的結構示意圖;
圖13是實施例中一種上箱體和下箱體的收攏狀態示意圖;
圖14是實施例中一種上箱體展開鎖定機構的結構示意圖;
圖15是實施例中一種下箱體展開鎖定機構的結構示意圖;
圖16是實施例中一種柔性太陽電池陣向兩側展開的過程示意圖;
圖17是實施例中一種壓緊釋放裝置的結構示意圖
圖18是實施例中一種輔助滑動裝置的安裝示意圖;
圖19是實施例中一種輔助滑動裝置的結構示意圖;
圖20是實施例中一種上箱體展開鎖定機構的結構詳圖;
圖21是實施例中一種下箱體展開鎖定機構的結構詳圖;
圖22是實施例中一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼的展開過程示意圖;
圖23是實施例中一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼的完全展開示意圖。
附圖說明
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖1
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖2
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖3
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖4
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖5
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖6
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
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一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖8
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圖9
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圖10
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圖11
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖12
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圖13
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圖14
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圖15
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圖16
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖17
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圖18
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圖19
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖20
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖21
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖22
一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼
圖23
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權利要求

1.《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》其特徵在於,包括:抬升機構(1)、伸展機構(2)、柔性太陽電池陣、壓緊釋放裝置(5)和箱體展開鎖定機構;其中,柔性太陽電池陣,包括:第一柔性太陽電池陣(3)和第二柔性太陽電池陣(4);伸展機構(2)頂部兩端分別連線第一柔性太陽電池陣(3)和第二柔性太陽電池陣(4),底部與抬升機構(1)連線;初始狀態時,第一柔性太陽電池陣(3)、第二柔性太陽電池陣(4)、伸展機構(2)之間平行,且第一柔性太陽電池陣(3)和第二柔性太陽電池陣(4)關於伸展機構(2)對稱;伸展機構(2)和柔性太陽電池陣上分別設定有多個壓緊點,壓緊釋放裝置(5)設定在相應的壓緊點位置處,通過在壓緊點處施加壓緊力,實現對伸展機構(2)和柔性太陽電池陣的壓緊;伸展機構(2)頂部兩端與第一柔性太陽電池陣(3)和第二柔性太陽電池陣(4)的連線位置處設定有箱體展開鎖定機構,用於將柔性太陽電池陣向兩側展開到位並鎖定。
2.根據權利要求1所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,抬升機構(1),包括:固定關節(11)、轉動關節(12)、抬升機構驅動組件(13)和鎖定組件(14);固定關節(11)與轉動關節(12)同軸設計,採用軸承連線,構成轉動副;轉動關節(12)相對固定關節(11)轉動,進而帶動大面積柔性太陽電池翼的整體轉動,將大面積柔性太陽電池翼變位至與艙體垂直狀態;抬升機構驅動組件(13)與轉動關節(12)連線,為轉動關節(12)的轉動提供驅動力矩;鎖定組件(14)與轉動關節(12)連線,在轉動關節(12)至設定位置處時,實現對轉動關節(12)的鎖止。
3.根據權利要求2所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,鎖定組件(14),包括:鎖定銷(141)、滑道(142)和鎖定孔(143);鎖定銷(141)位於滑道(142)內,可在滑道(142)內滑動;在轉動關節(12)至設定位置處時,鎖定銷(141)插入鎖定孔(143)內,實現轉動關節(12)的鎖止。
4.根據權利要求1所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,伸展機構(2),包括:伸展臂(21)、收藏筒(22)和伸展機構驅動組件(23);伸展機構驅動組件(23)設定在收藏筒(22)外側,伸展機構驅動組件(23)輸出力矩,將伸展臂(21)從收藏筒(22)中一維有序展開並鎖定,伸展機構驅動組件(23)反向轉動,將伸展臂(21)收攏至收藏筒(22)中。
5.根據權利要求4所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,柔性太陽電池陣,包括:上箱體(31)、下箱體(32)、約束釋放機構(33)、張緊機構(34)、導向機構(35)和電池板(36);上箱體(31)和下箱體(32)平行設定,在收攏狀態下,電池板(36)收納在上箱體(31)和下箱體(32)之間;約束釋放機構(33)一端安裝在上箱體(31)上,另一端安裝在下箱體(32)上;其中,在收攏狀態下,約束釋放機構(33)鎖緊,將上箱體(31)和下箱體(32)壓緊,進而將整個電池板(36)壓緊;在入軌後,約束釋放機構(33)解鎖釋放,解除對上箱體(31)和下箱體(32)的約束,進而解除整個電池板(36)的約束;張緊機構(34)安裝在上箱體(31)上,當電池板(36)全部展開後,張緊機構(34)對電池板(36)施加張緊力,確保柔性太陽電池陣的在軌剛度;導向機構(35)安裝在下箱體(32)上,導向機構(35)的導向繩貫穿於整個電池板(36),以保證柔性太陽電池陣展收過程的平穩性。
6.根據權利要求5所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,電池板(36),包括:柔性基板(361)、琴鉸(362)、電池電路(363)和柔性電纜(364);多個柔性基板(361)通過琴鉸(362)串聯嚙合,兩個相鄰柔性基板(361)以琴鉸(362)為中心軸旋轉實現展開和收攏;電池電路(363)和柔性電纜(364)均布在柔性基板(361)的正面。
7.根據權利要求6所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,張緊機構(34),包括:張緊機構卷簧組件(341)、張緊機構繞線輪(342)和張緊繩(343);張緊機構卷簧組件(341)安裝在上箱體(31)外側,並與張緊機構繞線輪(342)同軸布置;張緊繩(343)與電池板(36)共面,張緊繩(343)的一端與柔性基板(361)連線,另一端固定在張緊機構繞線輪(342)上。
8.根據權利要求6所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,導向機構(35),包括:導向機構卷簧組件(351)、導向機構繞線輪(352)和導向繩(353);導向機構卷簧組件(351)安裝在下箱體(32)外側,並與導向機構繞線輪(352)同軸布置;導向繩(353)布置在柔性基板(361)的背面,導向繩(353)一端與上箱體(31)連線,另一端固定在導向機構繞線輪(352)上。
9.根據權利要求5所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,箱體展開鎖定機構,包括:上箱體展開鎖定機構(6)和下箱體展開鎖定機構(7);上箱體展開鎖定機構(6)一端與伸展臂(21)的頂部連線,另一端與上箱體(31)連線;下箱體展開鎖定機構(7)一端與收藏筒(22)連線,另一端與下箱體(32)連線;兩個下箱體展開鎖定機構(7)分別設定在伸展機構(2)兩側;每個下箱體展開鎖定機構(7)兩側分別設定一個上箱體展開鎖定機構(6);其中,各下箱體展開鎖定機構(7)的旋轉軸與對應的左右兩側的上箱體展開鎖定機構(6)的旋轉軸同軸設定,在下箱體展開鎖定機構(7)展開時,上箱體展開鎖定機構(6)跟隨展開進而鎖定。
10.根據權利要求9所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,上箱體展開鎖定機構(6),包括:公鉸鏈(61)、母鉸鏈(62)、轉動軸(63)和鎖定桿(64);公鉸鏈(61)和母鉸鏈(62)通過轉動軸(63)形成轉動副,具有轉動展收的功能;公鉸鏈(61)與上箱體(31)連線,母鉸鏈(62)與伸展臂(21)連線;展開到位後,鎖定桿(64)鎖定。
11.根據權利要求9所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,下箱體展開鎖定機構(7),包括:固定端(71)、轉動端(72)、驅動傳動組件(73)和鎖定機構(74);驅動傳動組件(73)提供驅動力矩,使轉動端(72)繞固定端(71)旋轉運動;鎖定機構(74)在轉動端(72)旋轉運動至設定位置後,實現對轉動端(72)的鎖止。
12.根據權利要求1所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,其特徵在於,壓緊釋放裝置(5),包括:依次連線的火工裝置(51)、壓緊桿組件(52)和分離組件(53);在大面積柔性太陽電池翼的發射段,通過施加在壓緊桿組件(52)上的預緊力,將伸展機構(2)和柔性太陽電池陣壓緊在艙體側壁上;入軌後,火工裝置(51)解鎖,壓緊桿組件(52)在分離組件(53)作用下抽出,實現大面積柔性太陽電池翼與艙體的解鎖分離。
13.一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼的展開方法,其特徵在於,初始狀態,抬升機構(1)、伸展機構(2)和柔性太陽電池陣依次連線,並通過壓緊釋放裝置(5)壓緊收攏。

實施方式

實施例1

因運載工具空間限制及發射過程中的較大過載,太陽翼需經歷先收攏再展開的過程,針對惡劣的太空環境和幾十甚至上百平方米的展開需求,太空飛行器在軌運行後,太陽翼的展開與鎖定是極為重要的。柔性太陽翼的輕薄和大尺度,都極大的增加了展開機構的設計難度,傳統的柔性太陽電池翼多存在著機械結構複雜、展開過程複雜、驅動過程不穩定、易使結構振動受損等問題。因此,為了適應空間任務的需求,亟需一種滿足大尺度、高精度、高剛度、易控制等要求的柔性太陽翼結構,從降低結構複雜度、提高系統可靠度及延長使用壽命等方面支撐中國大功率太空飛行器的套用和發展。
實施例公開了一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,與傳統太陽電池翼相比,柔性太陽電池翼具有較大的技術狀態變化,在展開方式上由原來的無源鉸鏈式一次性展開變為伸展機構可多次重複展開,在尺寸上由原來的約20平方米變為40~100平方米可設計,在展開長度上由原來的近10米變為12~30米可設計,在軌載荷由原來的百納米變為千納米,低軌運行壽命由原來的3年變為15年,可適應更為惡劣的在軌載荷和環境要求。
上述新的狀態變化帶來了太陽翼分布展開方式、柔性陣上升段面對面壓緊下抗力學環境、在軌剛度保持、大展收比高承載可重複展收、柔性基板成型工藝及電池板連線、低軌原子氧防護、地面展開試驗等一系列的技術難點,因此需要開展柔性太陽電池翼的關鍵技術研究工作,以滿足未來大面積柔性太陽電池翼大功率、長壽命、高可靠的套用需求。在本申請中,通過採用柔性太陽電池翼總體設計和集成技術、柔性電池陣空間環境防護技術、柔性太陽電池陣壓緊防護技術、高剛度可展收伸展機構技術等四項關鍵技術的綜合套用,實現了收攏包絡小、展開面積大、展開構型穩定、功率質量比高的目的。《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》公開的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼在功率重量比、功率面積比上均具有明顯優勢,同時為全自動展開,不需要太空人輔助參與,可以實現柔性陣面分步展開以滿足在軌對接、姿軌控的動力學需求,實現展開基頻可設計,具有更好的適應性。
如圖1~2,在該實施例中,該伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,包括:抬升機構1、伸展機構2、柔性太陽電池陣、壓緊釋放裝置5和箱體展開鎖定機構;其中,柔性太陽電池陣,包括:第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4。具體的:伸展機構2頂部兩端分別連線第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4,底部與抬升機構1連線;初始狀態時,第一柔性太陽電池陣3、第二柔性太陽電池陣4、伸展機構2之間平行,且第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4關於伸展機構2對稱;伸展機構2和柔性太陽電池陣上分別設定有多個壓緊點,壓緊釋放裝置5設定在相應的壓緊點位置處,通過在壓緊點處施加壓緊力,實現對伸展機構2和柔性太陽電池陣的壓緊;伸展機構2頂部兩端與第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4的連線位置處設定有箱體展開鎖定機構,用於將柔性太陽電池陣向兩側展開到位並鎖定。
如前所述,在該實施例中,該伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼主要可以由抬升機構1、伸展機構2、柔性太陽電池陣、壓緊釋放裝置5和箱體展開鎖定機構等單機件組成,下面對每個單機件分別進行說明。
抬升機構
如圖3,抬升機構1具體可以包括:固定關節11、轉動關節12、抬升機構驅動組件13和鎖定組件14。其中,固定關節11與轉動關節12同軸設計,採用軸承連線(減少了轉動過程中的摩擦阻力),構成轉動副;轉動關節12相對固定關節11轉動,進而帶動大面積柔性太陽電池翼的整體轉動,將大面積柔性太陽電池翼變位至與艙體垂直狀態;抬升機構驅動組件13與轉動關節12連線,為轉動關節12的轉動提供驅動力矩;鎖定組件14與轉動關節12連線,在轉動關節12至設定位置處時,實現對轉動關節12的鎖止,具有剛度和強度保持的能力。
優選的,如圖4,鎖定組件14具體可以包括:鎖定銷141、滑道142和鎖定孔143。其中,鎖定銷141位於滑道142內,可在滑道142內滑動;在轉動關節12至設定位置處時,鎖定銷141插入鎖定孔143內,實現轉動關節12的鎖止。進一步優選的,鎖定銷141可採用錐角為自鎖角的錐銷結構,既利於鎖定又保持了較高的可靠度;鎖定銷141與滑道142運動配合,可減小鎖定銷141運動過程中的摩擦阻力;鎖定孔143為錐孔,與鎖定銷141形成錐孔配合。此外,在實際套用中,可根據大面積柔性太陽電池翼在軌載荷,選擇1~4個鎖定銷141。
優選的,抬升機構驅動組件13可以結合大面積柔性太陽電池翼的規模和展開過程設計,選擇無源彈簧驅動方式或有源電機驅動方式,該實施例對此不作限制。
伸展機構
在該實施例中,伸展機構是該大面積柔性太陽電池翼的核心部件之一。伸展機構一方面要求能夠實現柔性太陽電池翼的多次展開與收攏,另一方面作為柔性太陽電池翼展開後的主承力結構還要求具備較好的剛度和強度。可見,大展收比高可靠高剛度可展收技術是伸展機構在軌支撐太陽翼的重要技術。其中,大展收比主要包括兩方面:其中,伸展機構的展收比不小於10:1;柔性太陽電池陣的展收比不小於100:1。
在具體套用過程中,可根據大面積柔性太陽電池翼的收攏包絡、在軌載荷、剛度強度等約束條件和指標要求,選用鉸接式伸展機構、三邊形盤繞式伸展機構、四邊形盤繞式伸展機構和套筒式伸展機構。
優選的,以鉸接式伸展機構為例,如圖5,該鉸接式伸展機構具體可以包括:三角形截面的伸展臂21、收藏筒22和伸展機構驅動組件23。其中,伸展機構驅動組件23設定在收藏筒22外側,伸展機構驅動組件23輸出力矩,將伸展臂21從收藏筒22中一維有序展開並鎖定,伸展機構驅動組件23反向轉動,將伸展臂21收攏至收藏筒22中。具體的,伸展機構驅動組件的驅動電機輸出轉矩,帶動伸展機構驅動組件的箱體上的三根螺桿同步旋轉,從而引起伸展機構驅動組件的剛性三角框沿著伸展臂的軸線方向運動。當伸展臂展開時,箱體內摺疊的伸展臂向外運動離開收藏筒,伸展臂整體在驅動電機的帶動下沿軸線向外運動。當伸展臂收攏時,驅動電機反向轉動,螺桿帶動展開的伸展臂進入收藏筒,伸展臂摺疊在收藏筒內。多個伸展臂根據上述工作原理依次地展開或收攏,最終可以實現整個伸展機構的完全展開或收攏。可見,伸展機構2在收攏狀態時具有高剛度和高強度,伸展機構2通過設定在收藏筒22位置處的壓緊釋放裝置5與艙體固定,可以承受發射段載荷;伸展機構2在展開狀態時,可支撐張緊機構的展開,使得柔性太陽電池陣具有一定的剛度和強度。
柔性太陽電池陣
如圖6,柔性太陽電池陣具體可以包括:上箱體31、下箱體32、約束釋放機構33、張緊機構34、導向機構35和電池板36。其中,上箱體31和下箱體32平行設定,在收攏狀態下,電池板36收納在上箱體31和下箱體32之間;約束釋放機構33一端安裝在上箱體31上,另一端安裝在下箱體32上;其中,在收攏狀態下,約束釋放機構33鎖緊,將上箱體31和下箱體32壓緊,進而將整個電池板36壓緊;在入軌後,約束釋放機構33解鎖釋放,解除對上箱體31和下箱體32的約束,進而解除整個電池板36的約束;張緊機構34安裝在上箱體31上,當電池板36全部展開後,張緊機構34對電池板36施加張緊力,確保柔性太陽電池陣的在軌剛度;導向機構35安裝在下箱體32上,導向機構35的導向繩貫穿於整個電池板36,以保證柔性太陽電池陣展收過程的平穩性。
優選的,如圖7~8,約束釋放機構33具體可以包括:電機驅動組件331、四連桿機構332、鎖鉤333和鉸鏈鎖環334。其中,電機驅動組件331與四連桿機構332連線;四連桿機構332末端設定有鎖鉤333和鉸鏈鎖環334;電機驅動組件331通過電機施加驅動力,由四連桿機構332將驅動力矩傳遞至鎖鉤333,通過鎖鉤333轉動和鉸鏈鎖環334配合施加約束力將上箱體31和下箱體32約束在一起。
優選的,如圖9,電池板36具體可以包括:柔性基板361、琴鉸362、電池電路363和柔性電纜364。其中,多個柔性基板361通過琴鉸362串聯嚙合,兩個相鄰柔性基板361以琴鉸362為中心軸旋轉實現展開和收攏;電池電路363和柔性電纜364均布在柔性基板361的正面。進一步優選的,如圖10,柔性基板361的中間層為玻璃纖維增強複合材料層3611,最外層為聚醯亞胺薄膜3612;其中,聚醯亞胺薄膜3612與玻璃纖維增強複合材料層3611之間採用柔性膠黏劑3613貼上固化成型,形成柔性結構。進一步優選的,柔性基板361的長度可以為:1500毫米~3000毫米,寬度可以為:350毫米~800毫米,厚度可以為0.3毫米~0.6毫米,總數量可以為:10~100塊;電池電路363和柔性電纜364的抗壓能力不小於:30000帕;電池板36收攏狀態下的總厚度可以為:10毫米~150毫米。
基板組件通常採用多層複合材料結構,低軌環境特別是原子氧環境對材料表面具有侵蝕作用。特別是,基板組件表面的聚醯亞胺薄膜在原子氧環境中易於降解,聚醯亞胺薄膜原子氧剝蝕率3.0×10—24厘米/原子,低軌15年原子氧總劑量為7.83×1026個/平方米,需要約2.4毫米厚度的聚醯亞胺薄膜才能滿足原子氧防護能力,2020年1月之前的50微米太陽電池翼3~6個月就會被剝蝕。在該實施例中,可在柔性基板外側增加一原子氧防護層,提高了基板組件在原子氧環境中的適應能力,延遲了低軌運行壽命,可達到15年之久。
例如,一種可選的原子氧防護層為:有機矽橡膠塗層。有機矽橡膠塗層,是一種有機矽高分子材料,兼具無機和有機性質的高分子化合物,它的分子主鏈由矽和氧原子交替構成,矽原子上通常連有兩個有機基團的高分子彈性體,可以是甲基、乙烯基、苯基、三氟丙基、氰乙基等。由於有機矽橡膠獨特的結構,使得它具有高的熱穩定性,高的氧化穩定性,良好的抗輻照性,極低的表面張力等物理化學特性。通過試驗驗證結果表明,柔性基板空間環境防護塗層可以有效保護柔性基板組件,在複雜空間環境條件下,有機矽膠塗層損失量均滿足要求,說明此防護技術可以滿足低軌、長壽命的柔性太陽電池陣防護需求。
優選的,如圖11,張緊機構34具體可以包括:張緊機構卷簧組件341、張緊機構繞線輪342和張緊繩343。其中,張緊機構卷簧組件341安裝在上箱體31外側,並與張緊機構繞線輪342同軸布置;張緊繩343與電池板36共面,張緊繩343的一端與柔性基板361連線,另一端固定在張緊機構繞線輪342上。其中,收攏狀態時,張緊繩343纏繞在張緊機構繞線輪342上,電池板36完全展開後,張緊機構卷簧組件341隨伸展機構2的繼續展開被動釋放,進而帶動張緊機構繞線輪342的轉動,在張緊機構繞線輪342的轉動下張緊繩343釋放。需要說明的是,張緊機構34具有一定的張緊力和剛度保持能力;每個柔性太陽電池陣可布置2~4個張緊機構34;每個張緊機構34的張緊力滿足:30牛~50牛,剛度滿足:2牛/米~6牛/米。
優選的,如圖12,導向機構35具體可以包括:導向機構卷簧組件351、導向機構繞線輪352和導向繩353。其中,導向機構卷簧組件351安裝在下箱體32外側,並與導向機構繞線輪352同軸布置;導向繩353布置在柔性基板361的背面,導向繩353一端與上箱體31連線,另一端固定在導向機構繞線輪352上。其中,收攏狀態時,導向繩353纏繞在導向機構繞線輪352上,展開過程中導向機構卷簧組件351隨伸展機構2展開被動釋放,進而帶動導向機構繞線輪352轉動,在導向機構繞線輪352轉動下,導向繩353釋放。需要說明的是,導向機構35隨柔性太陽電池陣展開,導向繩353用於確保柔性太陽電池陣的平穩有序展開;每個柔性太陽電池陣可布置2~4個導向機構35;每個導向機構35的導向力滿足:5牛~15牛,剛度滿足:0.05牛/米~0.2牛/米。
優選的,如圖13,上箱體31和下箱體32的內側均粘接緩衝泡沫37。上箱體31和下箱體32均採用碳纖維板和鋁蜂窩的複合結構,具有良好的剛度;緩衝泡沫37採用聚醯亞胺或聚氨酯泡沫,線剛度為:1000牛/毫米~3000牛/毫米。
在該實施例中,在大面積柔性太陽電池翼的展開過程中,約束釋放機構33在電機驅動組件331驅動下解鎖,上箱體31在伸展機構2的伸展臂21帶動下展開,下箱體32與伸展機構2的收藏筒22保持固定不動,電池板36下的各柔性基板361在上箱體31的帶動下依次展開,導向機構35隨柔性基板361運動保證電池板36下的各柔性基板361的平穩展開。大面積柔性太陽電池翼展開完成後,下箱體32通過箱體展開鎖定機構鎖定,電池板36展開為平面,張緊機構展開並為柔性太陽電池陣提供預緊力,保持陣面剛度。
其中,需要說明的是:第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4的結構完全相同,不再一一贅述。此外,柔性太陽電池陣與伸展機構2的相對位置關係應滿足一定要求,以使得展開狀態更加穩定:展開狀態下,伸展機構2的伸展臂21的中心軸到柔性基板361正面的距離應滿足50毫米~200毫米。
在該實施例中,柔性太陽電池陣通過張緊機構施加張緊力保持剛度,通過張緊機構和導向機構中的彈簧和繩索的配合實現了柔性太陽電池陣和伸展機構間的熱匹配性設計。
箱體展開鎖定機構
如圖2,箱體展開鎖定機構具體可以包括:上箱體展開鎖定機構6和下箱體展開鎖定機構7。其中,上箱體展開鎖定機構6一端與伸展臂21的頂部連線,另一端與上箱體31連線;下箱體展開鎖定機構7一端與收藏筒22連線,另一端與下箱體32連線;兩個下箱體展開鎖定機構7分別設定在伸展機構2兩側;每個下箱體展開鎖定機構7兩側分別設定一個上箱體展開鎖定機構6;其中,各下箱體展開鎖定機構7的旋轉軸與對應的左右兩側的上箱體展開鎖定機構6的旋轉軸同軸設定(同軸度優於0.5毫米),在下箱體展開鎖定機構7展開時,上箱體展開鎖定機構6跟隨展開進而鎖定。
優選的,如圖14,上箱體展開鎖定機構6具體可以包括:公鉸鏈61、母鉸鏈62、轉動軸63和鎖定桿64。其中,公鉸鏈61和母鉸鏈62通過轉動軸63形成轉動副,具有轉動展收的功能;公鉸鏈61與上箱體31連線,母鉸鏈62與伸展臂21連線;展開到位後,鎖定桿64鎖定,使上箱體展開鎖定機構6具有良好的剛度和強度。
優選的,如圖15,下箱體展開鎖定機構7具體可以包括:固定端71、轉動端72、驅動傳動組件73和鎖定機構74。其中,驅動傳動組件73提供驅動力矩,使轉動端72繞固定端71旋轉運動;鎖定機構74在轉動端72旋轉運動至設定位置後,實現對轉動端72的鎖止,具有鎖定保持剛度的功能。
其中,需要說明的是,至少2個上箱體展開鎖定機構6和1個下箱體展開鎖定機構7構成一套箱體展開鎖定機構,兩套箱體展開鎖定機構分別設定在伸展機構2頂部兩端連線第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4的位置處,以實現如圖16所示的第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4的90°轉動展開鎖定。
壓緊釋放裝置
如圖17,壓緊釋放裝置5具體可以包括:依次連線的火工裝置51、壓緊桿組件52和分離組件53。其中,在大面積柔性太陽電池翼的發射段,通過施加在壓緊桿組件52上的預緊力,將伸展機構2和柔性太陽電池陣壓緊在艙體側壁上;入軌後,火工裝置51解鎖,壓緊桿組件52在分離組件53作用下抽出,實現大面積柔性太陽電池翼與艙體的解鎖分離。
在該實施例中,採用高剛度、高強度的壓緊釋放裝置5對大面積柔性太陽電池翼進行壓緊,根據發射段的力學條件和大面積柔性太陽電池翼的傳力路徑確定壓緊釋放裝置5的數量和位置。例如,伸展機構2上可設定3~7個壓緊釋放裝置5,第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4上可分別設定3~6個壓緊釋放裝置5,需結合不同情況具體設定,該實施例對此不作限制。此外,壓緊桿組件52的預緊力矩可滿足:80納米~160納米。
綜上所述,《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》實施例所述的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼,基於壓緊釋放裝置實現了對該大面積柔性太陽電池翼的壓緊收攏,收攏狀態的柔性太陽電池陣布置在伸展機構前端,收攏尺寸小;進一步的,在伸展機構和箱體展開鎖定機構的共同作用下,實現了柔性太陽電池陣的可靠展開,構型穩定、基頻高,整翼展開長度可達10~30米(可設計)、可布片區域面積可達40~100平方米(可設計)。其次,採用伸展機構支撐雙邊柔性太陽電池陣的結構形式,可根據艙體構型對太陽電池翼收攏構型進行設計,構型可設計性強。此外,柔性基板外側可以塗敷有機矽塗層(原子氧防護層),上、下箱體表面可貼上鋁箔,伸展機構活動部具備可重複收展能力,張緊機構和導向機構可採用蝸卷彈簧,上述技術手段的綜合套用,提高了該大面積柔性太陽電池翼的在軌壽命。

實施例2

在該實施例中,為了釋放解鎖過程中箱體所受額外應力,提高承載能力,該伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼還設定有若干個輔助滑動裝置8,若干個輔助滑動裝置8對稱安裝在伸展機構2的頂部,且與柔性太陽電池陣的上箱體連線。當柔性太陽電池陣的約束釋放機構解鎖釋放時,上箱體和下箱體分離,輔助滑動裝置8則用於在上箱體和下箱體分離過程中,釋放上箱體在解鎖釋放過程中所受的力。
優選的,如圖18,輔助滑動裝置8具體可以安裝在伸展機構的頂部框架結構中。其中,如圖19,該輔助滑動裝置8具體可以包括:連線桿81、連線件82、彈簧83。其中,連線桿81固定連線在伸展機構2的頂部框架結構中;連線件82的一端套裝在連線桿81上,另一端與上箱體固定連線;彈簧83套裝在連線桿81上、安裝在連線桿81一端,彈簧83在初始狀態由連線件82約束而處於壓縮狀態,即彈簧83對連線件82存在一個向外的推力;連線件82上的孔與連線桿81形成滑動副,連線件82初始狀態由於柔性太陽電池陣的約束保持不動。
綜上所述,該輔助滑動裝置實現了在柔性太陽電池陣解鎖釋放過程中釋放箱體所受額外應力的目的,解鎖的上箱體通過連線件和連線桿承載,具有結構承載能力高的優點。

實施例3

在該實施例中,上箱體展開鎖定機構6作為無源機構、下箱體展開鎖定機構7作為有源機構,共同構成了有源高剛度的箱體展開鎖定機構,鎖定剛度高、收攏包絡小、結構簡單可靠。
在具體工程實現上,上箱體展開鎖定機構6和下箱體展開鎖定機構7的一種可選工程結構如圖20~21所示。
優選的,如圖20,上箱體展開鎖定機構6具體可以包括:第一本體601、第二本體602、鎖定桿603、扭簧604、旋轉軸605、限位螺釘606。其中,鎖定桿603一端通過扭簧604和轉軸安裝在第一本體601的兩個支耳之間,第一本體601的兩個支耳端部分別安裝限位螺釘606,第一本體601未安裝鎖定桿603的一側與第二本體602通過旋轉軸605形成轉動副;第一本體601與伸展機構連線,第二本體602與上箱體連線,第二本體602在下箱體展開鎖定機構7的帶動下相對第一本體601轉動,當旋轉到位後,在扭簧604作用下鎖定桿603將第二本體602鎖定於第一本體601,此時安裝在第一本體601上的限位螺釘606頂住第二本體602,提高了其鎖定剛度;此時伸展機構伸展將上箱體伸出。
優選的,如圖21,下箱體展開鎖定機構7具體可以包括:第一支座701、第二支座702、驅動機構703;驅動機構703用於提供展開動力,使得第二支座702相對第一支座701轉動,第一支座701與伸展機構連線;第二支座702為L形支座,一端與下箱體連線,另一端通過轉軸與第一支座701一端轉動連線;第一支座701另一端安裝驅動機構703;下箱體展開鎖定機構7在展開到位後繼續運動可消除機構間隙提高鎖定剛度。
其中,第一本體601與第二本體602之間、第一支座701與第二支座702之間均採用鉸鏈連線;第一本體601與第二本體602可由鉸鏈桿鎖定,結構簡單、可靠、重量輕;第一支座701與第二支座702由驅動機構703將第二支座702展開到位後繼續運動通過消除機構間隙進而鎖定。
在該實施例中,上箱體展開鎖定機構和下箱體展開鎖定機構在設定時,兩者的旋轉軸設定於同軸位置,在下箱體展開鎖定機構展開時,上箱體展開鎖定機構跟隨展開進而鎖定,實現了收攏狀態下,柔性太陽電池陣與伸展機構平行布置,收攏包絡小的目的;無源機構(上箱體展開鎖定機構)在有源機構(下箱體展開鎖定機構)運動下跟隨運動,具有對無源機構的第一本體和第二本體轉動副處間隙不敏感的優點;下箱體展開鎖定機構展開到位後繼續運動可消除機構間隙提高鎖定剛度,具有展開剛度高的優點;展開鎖定機構整體可視為一有源機構,具有驅動力矩大,機構魯棒性強的優點。

實施例4

如前所述,受制於收攏布局、展開方式、展開基頻等約束條件,傳統剛性、半剛性太陽電池翼的展開面積和發電功率受到極大限制,很難在保證足夠大展開面積的同時滿足收攏包絡要求和承載要求。針對柔性太陽電池翼大面積、基板數量多、基板尺寸薄、高承載、可重複展收、低軌長壽命的技術特點和難點,傳統的設計理念很難滿足任務要求,國內尚屬套用空白。特別是在展開時,多採用平面機構模組構成:機構內桿件較多,摺疊比低;機構內部自由多較多,需通過增設同步機構或者增加驅動個數的方式來降低機構的自由度,導致機構質量和收攏體積非常大;剛度低、且難以實現同時鎖定穩定度較差。
《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》提出的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼的系統構型,採用五步三維展開實現柔性太陽電池翼在軌全自動展開;針對柔性板自身無法承載和收攏狀態電池片面對面壓緊的問題,創新性的提出採用有源電機驅動箱板緩衝的整體壓緊方式對柔性太陽電池陣施加均勻壓緊力;針對柔性板在軌無法承載的問題,基於張緊機構的預張力解決了柔性陣在軌剛度保持和承載的難題,並通過張緊機構的彈簧繩索系統(卷簧組件+張緊繩)解決了柔性太陽電池翼在軌高低溫交變熱匹配性問題;針對大展收比、可重複展收技術問題,優選了一種三邊形鉸接式伸展機構的設計方案,解決了桁架變拓撲結構構型、展收功能組件綜合最佳化、鉸鏈桿高承載鎖定角度設計等技術難題;針對柔性基板成型工藝及電池板連線技術問題,採用多層材料真空模壓技術和解決了工藝成型難題,保證了產品成型平整度和尺寸精度,採用柔性異型琴鉸設計解決了電池板連線技術難題;針對柔性基板低軌原子氧防護,提出了一種有機矽塗層防護方法。
《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》提出的伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼可以直接套用在中國空間站項目,收攏狀態布置在核心艙小柱段能夠滿足整流罩包絡要求,展開狀態電池片布貼面積滿足不小於39.17平方米的技術要求,展開頻率滿足不小於0.1赫茲的技術要求,展開時間滿足不大於40分鐘的技術要求,設計壽命滿足不小於15年的技術要求。
《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》通過柔性基板尺寸及數量的適應性調整,可為通信衛星、電子偵察衛星、大型天基雷達衛星、深空探測電推進衛星等大功率衛星平台和太空飛行器提供能源。《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》牽引的伸展機構技術、柔性基板工藝及防護技術、預張力柔性陣面剛度保持技術、電池板整體壓緊防護技術等多項關鍵技術均為太空飛行器同類結構機構的基礎型關鍵技術,可廣泛套用於大型柔性翼、柔性天線、太陽帆等空間結構機構中。
《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》的柔性基板厚度0.3毫米,遠小於剛性、半剛性基板10~20毫米厚度;《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》的柔性基板面密度0.5千克平方米遠小於剛性、半剛性基板1~1.5千克/平方米的技術指標;《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》的柔性太陽電池翼功率面積比(170瓦/平方米)與國際空間站柔性太陽電池翼功率面積比(90瓦/平方米)相比提高近2倍;《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》的柔性陣整體壓緊方式不受基板數量的限制,可以布置在相對狹小的區域內;《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》的張緊機構和導向機構可以提供陣面張緊力並可以保證在軌剛度;發明的伸展機構可以實現太陽電池翼的重複展收,為太空飛行器擴展和在軌維修提供了可能。
在上述實施例的基礎上,下面對該伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼的展開過程進行簡單描述。
如前所述,在該實施例中,該伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼組成至少包括:抬升機構1、伸展機構2、第一柔性太陽電池陣3、第二柔性太陽電池陣4、壓緊釋放裝置5、上箱體展開鎖定機構6和下箱體展開鎖定機構7。其中,壓緊釋放裝置5可用於該柔性太陽電池翼在發射段的壓緊抗過載;抬升機構1可用於將該柔性太陽電池翼變位至與艙體垂直狀態;上箱體展開鎖定機構6和下箱體展開鎖定機構7可用於將第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4向兩側展開到位並鎖定(如圖16);伸展機構2可用於實現柔性太陽電池陣的展開和收攏;第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4上布置電池電路和電纜,可用於該柔性太陽電池翼的在軌發電和電傳輸。
如圖22~23,該伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼可根據系統構型分為五步展開:
第一步,壓緊釋放裝置5解鎖,該大面積柔性太陽電池翼與艙體之間解鎖。
第二步,抬升機構1工作,將該大面積柔性太陽電池翼變位至與艙體垂直狀態。
第三步,設定在伸展機構2兩側的兩個下箱體展開鎖定機構7同步開始工作,帶動兩側的第一柔性太陽電池陣3、第二柔性太陽電池陣4展開並鎖定;同時,上箱體展開鎖定機構6隨動展開並鎖定。
第四步,第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4上的約束釋放機構工作,解除上、下箱體之間的約束。
第五步,伸展機構2工作,伸展機構2沿艙體徑向直線伸展,帶動第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4同步展開;同時,導向機構工作,限制電池板向外運動,直至第一柔性太陽電池陣3和第二柔性太陽電池陣4完全展開,並且將張緊機構展開一定距離,施加預緊力。
其中,上述五個步驟描述了該伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼的展開過程,收攏過程是展開過程的逆過程。

榮譽表彰

2022年7月22日,《一種伸展機構支撐雙邊陣的大面積柔性太陽電池翼》獲得第二十三屆中國專利銀獎。

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