CN106428640B - 卫星太阳能帆板自动对日定向器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星太阳能帆板自动对日定向器，其包括遮光悬臂梁等，立柱安装在太阳能帆板框架上，太阳能帆板框架下端旋转固定有太阳能帆板，立柱顶端固定有遮光悬臂梁，第一圆柱铰链轴、第二圆柱铰链轴、第三圆柱铰链轴、第四圆柱铰链轴上分别铰接有三个圆形铰链，遮光悬臂梁两端分别固定有第一圆柱铰链轴和第二圆柱铰链轴，太阳能帆板上固定有第三圆柱铰链轴和第四圆柱铰链轴。本发明能够调整卫星太阳能帆板对太阳能的接收角度，结构稳定可靠，调整自由度高。

Description

卫星太阳能帆板自动对日定向器

技术领域

本发明涉及一种定向器，特别是涉及一种卫星太阳能帆板自动对日定向器。

背景技术

随着大型军事卫星、气象卫星及商用广播通信卫星的发展，卫星对能源的需求越来越高。目前，卫星系统的主要能源为太阳能。为了充分利用太阳能电池帆板产生的电能，大型卫星上通常带有驱动装置，其主要使命是带动电池阵转动并使其法线与太阳光射束重合，以避免阳光入射角变化导致太阳能帆板发电功率的下降，使得太阳能帆板的发电功率保持稳定。

目前，单自由度驱动太阳帆板应用非常广泛，技术也很成熟。对于一般轨道的航天器，由于升交点赤经漂移和地球公转，λ在-(23.5°+i)到23.5°+i(i表示轨道倾角)之间一年变化很多次。随着轨道倾角i的增大，λ的变化范围跟着变大。如果为了简单起见，仍然采用单自由度太阳帆板，则由λ的偏差带来的能量损失将会变得不可估量。为了减少单自由度太阳帆板的能量损失，可采用两自由度太阳帆板以满足对日定向的要求。理论上，太阳帆板的自由度越大，它的朝向方位限制就越少，对日定向效果会更好，但是每增加一个自由度就需要增加相应的控制系统、传感系统、驱动机构、导电滑环和柔性电缆等，从而大大降低结构的可靠性。同时，大型太阳能帆板为典型的轻质挠性结构。在航天器的飞行与控制过程中，作用在太阳能帆板上的扰动力和控制力不仅会激起航天器的位置与姿态的改变，而且会激起太阳能板及其它挠性附件的弹性振动，进而又影响航天器的整体运动与控制。因此，采用二自由度及多自由度的驱动机构将对卫星的可靠性、控制及振动抑制带来挑战。因此，能够兼具单自由度太阳能帆板高可靠性及低扰动优点，又能够满足一般轨道的全方位对日定向要求的太阳能帆板对我国未来高精度低响应卫星平台的研究至关重要，而空间环境自动对日定向器是单自由度太阳能帆板实现全方位对日定向的关键技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种卫星太阳能帆板自动对日定向器，其采用物理材料受热形变的原理作为自动对日定向器的驱动装置，能够调整卫星太阳能帆板对太阳能的接收角度，结构稳定可靠，调整自由度高。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种卫星太阳能帆板自动对日定向器，其特征在于，其包括遮光悬臂梁、立柱、第一薄壳非对称复合材料层合板、第二薄壳非对称复合材料层合板、圆形铰链、第一圆柱铰链轴、第二圆柱铰链轴、第三圆柱铰链轴、第四圆柱铰链轴、太阳能帆板框架、太阳能帆板，立柱安装在太阳能帆板框架上，太阳能帆板框架下端旋转固定有太阳能帆板，立柱顶端固定有遮光悬臂梁，第一圆柱铰链轴、第二圆柱铰链轴、第三圆柱铰链轴、第四圆柱铰链轴上分别铰接有三个第一圆形铰链、三个第二圆形铰链、三个第三圆形铰链、三个第四圆形铰链，遮光悬臂梁两端分别固定有第一圆柱铰链轴和第二圆柱铰链轴，太阳能帆板上固定有第三圆柱铰链轴和第四圆柱铰链轴，第一圆柱铰链轴和第三圆柱铰链轴处于同一竖直平面，第二圆柱铰链轴和第四圆柱铰链轴处于同一竖直平面，第二薄壳非对称复合材料层合板上端与第一圆柱铰链轴上的三个第一圆形铰链固定，第二薄壳非对称复合材料层合板下端与第三圆柱铰链轴上的三个第三圆形铰链固定，第一薄壳非对称复合材料层合板上端与位于第二圆柱铰链轴上的三个第二圆形铰链固定，第一薄壳非对称复合材料层合板下端与位于第四圆柱铰链轴上的三个第四圆形铰链固定。

优选地，所述第一薄壳非对称复合材料层合板和第二薄壳非对称复合材料层合板采用碳纤维增强复合材料制成，第一薄壳非对称复合材料层合板和第二薄壳非对称复合材料层合板为本发明的驱动器，驱动器随着温度变化而发生大幅形变。

优选地，所述立柱与太阳能帆板框架之间刚性连接。

优选地，所述太阳能帆板与太阳能帆板框架之间可发生相互转动。

本发明的积极进步效果在于：本发明能够调整卫星太阳能帆板对太阳能的接收角度，结构稳定可靠，调整自由度高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的正视图。

图3为本发明的右侧方拆解示意。

图4为本发明的左侧方拆解示意。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图4所示，本发明卫星太阳能帆板自动对日定向器包括遮光悬臂梁1、立柱2、第一薄壳非对称复合材料层合板5、第二薄壳非对称复合材料层合板6、圆形铰链11-22、第一圆柱铰链轴7、第二圆柱铰链轴8、第三圆柱铰链轴9、第四圆柱铰链轴10、太阳能帆板框架3、太阳能帆板4，立柱2安装在太阳能帆板框架3上，太阳能帆板框架3下端旋转固定有太阳能帆板4，立柱2顶端固定有遮光悬臂梁1，第一圆柱铰链轴7、第二圆柱铰链轴8、第三圆柱铰链轴9、第四圆柱铰链轴10上分别铰接有三个第一圆形铰链17、三个第二圆形铰链11、三个第三圆形铰链20、三个第四圆形铰链14，遮光悬臂梁1两端分别固定有第一圆柱铰链轴7和第二圆柱铰链轴8，太阳能帆板4上固定有第三圆柱铰链轴9和第四圆柱铰链轴10，第一圆柱铰链轴7和第三圆柱铰链轴9处于同一竖直平面，第二圆柱铰链轴8和第四圆柱铰链轴10处于同一竖直平面，第二薄壳非对称复合材料层合板6上端与第一圆柱铰链轴7上的三个第一圆形铰链17固定，第二薄壳非对称复合材料层合板6下端与第三圆柱铰链轴9上的三个第三圆形铰链20固定，第一薄壳非对称复合材料层合板5上端与位于第二圆柱铰链轴8上的三个第二圆形铰链11固定，第一薄壳非对称复合材料层合板5下端与位于第四圆柱铰链轴10上的三个第四圆形铰链14固定。

第一薄壳非对称复合材料层合板5和第二薄壳非对称复合材料层合板6都采用碳纤维增强复合材料制成，第一薄壳非对称复合材料层合板5和第二薄壳非对称复合材料层合板6都为本发明的驱动器，驱动器随着温度变化而发生大幅形变，通过驱动器在不同太阳能照射角度下的不同温度状态(即不同形变形变状态)带动和控制太阳能帆板的转角。

立柱2与太阳能帆板框架3之间刚性连接，立柱2对本发明整体起支撑作用，立柱2和太阳能帆板框架4之间的连接紧固确保了本发明整体的结构稳固。

太阳能帆板3与太阳能帆板框架4之间可发生相互转动，太阳能帆板3在第一薄壳非对称复合材料层合板5和第二薄壳非对称复合材料层合板6的作用力下发生转动，太阳能帆板框架4本身不会转动，降低了本发明安装的安装难度。

第一薄壳非对称复合材料层合板、第二薄壳非对称复合材料层合板都随着温度变化将发生大变形，用于驱动太阳能板对日定向。

遮光悬臂梁用以支撑太阳能帆板，并通过遮挡效应控制第一薄壳非对称复合材料层合板上的太阳光热辐射量、第二薄壳非对称复合材料层合板上的太阳光热辐射量，进而控制驱动器的温度。

遮光悬臂梁用于遮挡光线；薄壳非对称复合材料层合板用于驱动太阳能帆板发生转动；圆形铰链及圆柱铰链轴用于非对称复合材料层合板与遮光悬臂梁及太阳能帆板之间的铰接；太阳能帆板带有铰接支座。在本实施例中，薄壳非对称复合材料层合板采用碳纤维增强复合材料，具体尺寸为100mm×60mm×0.5mm，铺层为[02/902]。圆形铰链的销孔内径为4mm，外径为7mm，长度为15mm，采用低热膨胀系数钛合金。圆柱铰链轴的直径为4mm，采用低热膨胀系数钛合金。遮光悬臂梁两侧开有凹槽及销孔，销孔内径为4mm，遮光悬臂梁采用低热膨胀系数钛合金。立柱采用复合材料编织布制备而成。

本发明的工作原理如下：太阳能帆板框架通过第一薄壳非对称复合材料层合板和第二薄壳非对称复合材料层合板连接至遮光悬臂梁上，遮光悬臂梁通过立柱与太阳能帆板框架刚性连接，第一薄壳非对称复合材料层合板和第二薄壳非对称复合材料层合板随着温度变化将发生大变形，用于驱动太阳能帆板对日定向。本发明提供的空间环境卫星太阳能板自动对日定向器，用以连接太阳能帆板与太阳能帆板框架，随着阳光入射角的变化驱动太阳能帆板自动对日定向。本发明的主要驱动部件为薄壳非对称复合材料层合板，主要控制部件为遮光悬臂梁。薄壳非对称复合材料层合板随着温度的变化将发生大变形，非对称复合材料层合板温度上升后其弯曲曲率将变小，温度下降后其弯曲曲率将变大。在空间环境150℃至-100℃范围内，薄壳非对称复合材料的曲率变化范围为2m^-1～25m^-1。在空间环境中，当太阳光与太阳能帆板框架法向夹角为0时，两块非对称复合材料层合板所受的光辐射强度相同，进而温度相同，弯曲曲率也相同。此时太阳能帆板与太阳能帆板框架之间夹角为0。当太阳光入射方向与太阳能帆板框架法向之间存在顺时钟方向夹角时，图2中右侧非对称复合材料层合板所接受的光辐射量增加，进而温度增加，弯曲曲率降低；在遮光悬臂梁的遮挡下，图2中左侧薄壳非对称复合材料层合板所接受的光辐射量降低，进而温度降低，弯曲曲率增加。在两侧非对称复合材料层合板的驱动下，太阳能帆板的法向将顺时针旋转并与太阳光的入射方向重合，实现对日定向。当太阳光入射方向与太阳能帆板框架法向之间存在逆时钟方向夹角时，图2中左侧非对称复合材料层合板所接受的光辐射量增加，进而温度增加，弯曲曲率降低；在遮光悬臂梁的遮挡下，图2中右侧薄壳非对称复合材料层合板所接受的光辐射量降低，进而温度降低，弯曲曲率增加。在两侧非对称复合材料层合板的驱动下，太阳能帆板的法向将逆时针旋转并与太阳光的入射方向重合，实现对日定向。

本发明相对现有的太阳能板对日定向技术，具有以下优点和积极效果：

优点一，传统自动对日定向技术需要复杂的光线传感系统、控制系统及传动驱动系统。本发明无需复杂的光线传感系统、控制系统及传动驱动系统进而实现自动的对日定向，结构简单，可靠性高。

优点二，本发明通过光辐射量的改变来驱动薄壳非对称复合材料层合板发生大变形，因此在对日定向过程中无需消耗卫星系统中的电能，节省能源。

优点三，薄壳非对称复合材料层合板的形状随着阳光入射角的变化连续变化，实现连续实时对日定向；

优点四，设计构型简单，体积小，质量轻，装配工艺好；

优点五，设计灵活，接口部件、遮光部件及驱动部件均可改变尺寸以适应不同轨道的对日定向需求。

综上所述，本发明能够调整卫星太阳能帆板对太阳能的接收角度，结构稳定可靠，调整自由度高。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种卫星太阳能帆板自动对日定向器，其特征在于，所述卫星太阳能帆板自动对日定向器包括遮光悬臂梁、立柱、第一薄壳非对称复合材料层合板、第二薄壳非对称复合材料层合板、圆形铰链、第一圆柱铰链轴、第二圆柱铰链轴、第三圆柱铰链轴、第四圆柱铰链轴、太阳能帆板框架、太阳能帆板，立柱安装在太阳能帆板框架上，太阳能帆板框架下端旋转固定有太阳能帆板，立柱顶端固定有遮光悬臂梁，第一圆柱铰链轴、第二圆柱铰链轴、第三圆柱铰链轴、第四圆柱铰链轴上分别铰接有三个第一圆形铰链、三个第二圆形铰链、三个第三圆形铰链、三个第四圆形铰链，遮光悬臂梁两端分别固定有第一圆柱铰链轴和第二圆柱铰链轴，太阳能帆板上固定有第三圆柱铰链轴和第四圆柱铰链轴，第一圆柱铰链轴和第三圆柱铰链轴处于同一竖直平面，第二圆柱铰链轴和第四圆柱铰链轴处于同一竖直平面，第二薄壳非对称复合材料层合板上端与第一圆柱铰链轴上的三个第一圆形铰链固定，第二薄壳非对称复合材料层合板下端与第三圆柱铰链轴上的三个第三圆形铰链固定，第一薄壳非对称复合材料层合板上端与位于第二圆柱铰链轴上的三个第二圆形铰链固定，第一薄壳非对称复合材料层合板下端与位于第四圆柱铰链轴上的三个第四圆形铰链固定，第一薄壳非对称复合材料层合板和第二薄壳非对称复合材料层合板都为驱动器，驱动器随着温度变化而发生大幅形变。

2.如权利要求1所述的卫星太阳能帆板自动对日定向器，其特征在于，所述第一薄壳非对称复合材料层合板和第二薄壳非对称复合材料层合板采用碳纤维增强复合材料制成。

3.如权利要求1所述的卫星太阳能帆板自动对日定向器，其特征在于，所述立柱与太阳能帆板框架之间刚性连接。

4.如权利要求1所述的卫星太阳能帆板自动对日定向器，其特征在于，所述太阳能帆板与太阳能帆板框架之间发生相互转动。

5.如权利要求1所述的卫星太阳能帆板自动对日定向器，其特征在于，所述第一薄壳非对称复合材料层合板、第二薄壳非对称复合材料层合板都随着温度变化将发生大变形，用于驱动太阳能板对日定向。

6.如权利要求1所述的卫星太阳能帆板自动对日定向器，其特征在于，所述遮光悬臂梁用以支撑太阳能帆板，并通过遮挡效应控制第一薄壳非对称复合材料层合板上的太阳光热辐射量、第二薄壳非对称复合材料层合板上的太阳光热辐射量，进而控制驱动器的温度。