CN105356836B - 一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法 - Google Patents
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Abstract
一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，本发明涉及空间柔性太阳能电池阵的展开方法。本发明的目的是为了解决现有充气式或机械空间可展开结构存在的机械结构复杂，驱动机制复杂，展开过程不稳定，驱动过程不稳定，易使结构振动受损等问题。具体是按照以下步骤进行的：一、合成形状记忆聚合物薄膜，并在其上覆盖电热膜；二、将太阳能电池阵固定在一上，得到基于形状记忆聚合物空间柔性太阳能电池阵；三、得到固化成卷曲状的柔性太阳能电池阵；四、对固化成卷曲状的柔性太阳能电池阵的电热膜通电加热，卷曲状的柔性太阳能电池阵恢复至平直状态，完成基于形状记忆聚合物的空间柔性太阳能电池阵的展开。本发明应用于航天领域。
Description
技术领域
本发明涉及空间柔性太阳能电池阵的展开方法。
背景技术
航天器是人类进行太空开发、深空探测等空间任务的载体，目前太阳能是空间任务中应用最广泛的能源来源，将具有光电转换特性的材料制作成太阳能电池片并按一定顺序排列安装在结构上就形成了太阳能电池阵结构，“一般的，太阳能电池阵结构为一端与航天器相连,另一端自由伸展的外伸结构”，通常把这种结构叫做太阳能帆板或太阳能电池翼，这种技术具有安全环保的特性，可以替代核放射性同位素热电机来执行近行星任务。航天器在发射状态时，太阳能电池阵结构处于收拢状态，入轨后展开，“"因此这类结构往往为多体结构，且质量较轻”，航天器越大，需要的能量越多，太阳能电池帆板的面积就越大，相应结构也就越复杂。近年来，人类太空活动日益增多，大型支撑结构、大型天线、大口径空间望远镜、载人飞船、空间站等的广泛应用对航天器的太阳能电池阵列系统提出了越来越高的需求。随着航天器电力需求的提升和功能需求的细化，传统太阳能电池阵列因其自身的局限性而面临着巨大的挑战。太阳能电池帆板展开机构作为最常见、最典型的航天器机构，人们对其功能、可靠性、使用寿命及力学性能等的要求越来越高。展开机构的驱动部分将为机构的运动提供主动力(矩),是机构的核心部分，按照驱动方式，展开机构可以分为:弹簧驱动方式、微电机驱动方式、液压或气压驱动方式、自伸展驱动方式。弹簧驱动方式质量轻，可靠性高，系统独立，但是不可控，平稳性差，不能重复展开；微电机驱动方式平稳，可控，精度高，缺点是消耗，结构复杂；液压气压驱动方式承载能力强,可靠性高但需另设气体储箱，且对气密性有要求，自伸展驱动方式能够自锁、自支承和自适应但是还处于理论研究阶段，技术尚不成熟。目前太阳能电池帆板主要是用弹簧展开机构，但随着科技的发展，人们对航天器机构在功能精度稳定性以及可靠性方面的要求日益提高，弹簧展开机构越来越不能满足需要。
因此为了适应空间任务的需求，亟需研发新型太阳能电池阵列，以满足高效率、低风险、低成本、长寿命、高可靠性、轻质量等性能需求。此外由于航天事业的特殊性，又要求航天部件必须轻量化，占用体积小。作为空间太阳能电池发展的新方向，柔性太阳能电池阵薄膜因其轻质，易折叠，大收纳比等优点必然在未来的航空航天领域发挥其巨大的作用，现有充气式或机械空间可展开结构存在的机械结构复杂，驱动机制复杂，展开过程不稳定，驱动过程不稳定，易使结构振动受损等问题，基于此，在保证柔性太阳能电池薄膜使用优势的基础上，研究、设计一种结构简单、展开过程稳定、可靠性强的柔性太阳能电池薄膜展开驱动机制是保证该太阳能电池在航空航天领域应用的关键所在。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有充气式或机械空间可展开结构存在的机械结构复杂，驱动机制复杂，展开过程不稳定，驱动过程不稳定，易使结构振动受损等问题，而提供一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法。
上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：
步骤一、按太阳能电池阵的形状、大小合成形状相似，大小相当的形状记忆聚合物薄膜，并在形状记忆聚合物薄膜上覆盖电热膜，得到覆盖有电热膜的形状记忆聚合物薄膜；
所述形状记忆聚合物为环氧类的热塑性形状记忆聚合物、环氧类的热固性形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物中的N种，N取值为1、2、3或4；
步骤二、将太阳能电池阵固定在覆盖有电热膜的形状记忆聚合物薄膜上，得到带有主动展开功能的基于形状记忆聚合物空间柔性太阳能电池阵；
步骤三、将电热膜通电加热至形状记忆聚合物薄膜软化，太阳能电池阵卷曲至体积最小，断电后冷却，得到固化成卷曲状的柔性太阳能电池阵；
步骤四、对固化成卷曲状的柔性太阳能电池阵的电热膜通电加热，卷曲状的柔性太阳能电池阵恢复至平直状态，完成基于形状记忆聚合物的空间柔性太阳能电池阵的展开。
发明效果
1、本发明一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，整个支撑结构采用形状记忆聚合物或含有增强相的形状记忆聚合物薄膜作为太阳能电池板的支撑结构，相对于传统的机械式展开结构，质量非常轻，节省了发射过程中的能耗；
2、本发明一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，整个支撑结构可根据太阳能电池阵的大小通过调节薄膜的厚度以及所含增强相的体积分数来调节自身的刚度，设计非常灵活；
3、本发明一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，使用材料自身的性质完成其展开功能，只需要安置加热元件而不需要其他驱动件与机械机构，机械结构简单，驱动机制简单。
4、本发明一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，由于形状记忆聚合物材料性质稳定，展开机理简单，依靠材料的变形回复过程进行展开，所以展开过程回复力平稳，可靠性强，可靠率达99％以上，展开过程稳定，驱动过程稳定，不会出现震动受损以及充气式展开结构漏气等问题。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为空间柔性太阳能电池阵的卷曲等轴测视图；
图3为空间柔性太阳能电池阵的半展开等轴测视图；
图4为空间柔性太阳能电池阵的展开等轴测视图；
图5为空间柔性太阳能电池阵的展开切面图，1为太阳能电池阵薄膜，2为形状记忆聚合物薄膜，3为电热膜；
图6为空间柔性太阳能电池阵的卷曲示意图；
图7为空间柔性太阳能电池阵的半展开示意图；
图8为空间柔性太阳能电池阵的展开示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、2、3、4、5、6、7、8说明本实施方式，本实施方式的一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，具体是按照以下步骤制备的：
步骤一、按太阳能电池阵的形状、大小合成形状相似，大小相当的形状记忆聚合物薄膜，并在形状记忆聚合物薄膜上覆盖电热膜，得到覆盖有电热膜的形状记忆聚合物薄膜；
所述形状记忆聚合物为环氧类的热塑性形状记忆聚合物、环氧类的热固性形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物中的一种或几种；
步骤二、将太阳能电池阵固定在覆盖有电热膜的形状记忆聚合物薄膜上，得到带有主动展开功能的基于形状记忆聚合物空间柔性太阳能电池阵；
步骤三、将电热膜通电加热至形状记忆聚合物薄膜软化，太阳能电池阵卷曲至体积最小，断电后冷却，得到固化成卷曲状的柔性太阳能电池阵；
步骤四、对固化成卷曲状的柔性太阳能电池阵的电热膜通电加热，卷曲状的柔性太阳能电池阵恢复至平直状态，完成基于形状记忆聚合物的空间柔性太阳能电池阵的展开。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述形状记忆聚合物材料中含有增强材料。
其它步骤及参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述形状记忆聚合物薄膜呈网面状结构或固面结构(薄膜表面没有孔洞或者缝隙，呈一个整体的平面结构)。
其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述增强材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、碳粉、炭黑、碳纳米管和镍粉中的一种或多种。
其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述增强材料的含量为6％—45％。
其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述卷曲状的柔性太阳能电池阵可以折叠为任意形状。
其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述电热膜为多个单元的，依次对卷曲状的电热膜多个单元进行有序的通电加热，使不同单元处的形状记忆聚合物薄膜先后达到玻璃化转变温度，实现太阳能电池阵的展开。
其它步骤及参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述电热膜为不同部位具有不同功率的电热膜，对卷曲状的电热膜进行通电加热，功率高的部位先展开，使该处的形状记忆聚合物薄膜率先达到玻璃化转变温度，实现太阳能电池阵有序展开。
其它步骤及参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：所述形状记忆聚合物薄膜为多段的，具有不同的玻璃化转变温度，在相同的加热条件下，先达到玻璃化转变温度的先展开，实现太阳能电池阵有序展开。
其它步骤及参数与具体实施方式一至八之一相同。
Claims (9)
1.一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法具体是按照以下步骤进行的：
步骤一、按太阳能电池阵的形状、大小合成形状、大小相同的形状记忆聚合物薄膜，并在形状记忆聚合物薄膜上覆盖电热膜，得到覆盖有电热膜的形状记忆聚合物薄膜；
所述形状记忆聚合物为环氧类的热塑性形状记忆聚合物、环氧类的热固性形状记忆聚合物、聚酰亚胺形状记忆聚合物、氰酸酯类形状记忆聚合物中的N种，N取值为1、2、3或4；
步骤二、将太阳能电池阵固定在覆盖有电热膜的形状记忆聚合物薄膜上，得到带有主动展开功能的基于形状记忆聚合物空间柔性太阳能电池阵；
步骤三、将电热膜通电加热至形状记忆聚合物薄膜软化，太阳能电池阵卷曲至体积最小，断电后冷却，得到固化成卷曲状的柔性太阳能电池阵；
步骤四、对固化成卷曲状的柔性太阳能电池阵的电热膜通电加热，卷曲状的柔性太阳能电池阵恢复至平直状态，完成基于形状记忆聚合物的空间柔性太阳能电池阵的展开。
2.根据权利要求1所述一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于：所述形状记忆聚合物中含有增强材料。
3.根据权利要求2所述一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于：所述形状记忆聚合物薄膜呈网面状结构或固面结构。
4.根据权利要求3所述一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于：所述增强材料为石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、Kevlar纤维、硼纤维、碳化硅纤维、碳粉、炭黑、碳纳米管和镍粉中的一种或M种，M取值为2、3、4、5、6、7、8、9或10。
5.根据权利要求4所述一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于：所述增强材料的含量为6％—45％。
6.根据权利要求5所述一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于：所述卷曲状的柔性太阳能电池阵可折叠为任意形状。
7.根据权利要求6所述一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于：所述电热膜为多个单元，依次对卷曲状的电热膜多个单元进行有序的通电加热，使不同单元处的形状记忆聚合物薄膜先后达到玻璃化转变温度，实现太阳能电池阵的展开。
8.根据权利要求7所述一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于：所述电热膜为不同部位具有不同功率的电热膜，对卷曲状的电热膜进行通电加热，功率高的部位先展开，使该处的形状记忆聚合物薄膜率先达到玻璃化转变温度，实现太阳能电池阵有序展开。
9.根据权利要求8所述一种空间柔性太阳能电池阵的展开方法，其特征在于：所述形状记忆聚合物薄膜为多段，具有不同的玻璃化转变温度，在相同的加热条件下，先达到玻璃化转变温度的先展开，实现太阳能电池阵有序展开。
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