CN1086174C - 使宇宙飞行器上配有太阳能电池的底板运动的传动装置 - Google Patents

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Abstract

用来展开宇宙飞行器(1)上手风琴一样折叠的太阳能电池底板(3至7)的传动装置在铰链(9至14)上具有绳索滑轮(22至27)，它们成对地被环形钢丝绳(29至33)环绕。为了使在温度变化时钢丝绳长度的变化与底板(3至7)长度的变化相匹配，并提高它的拉伸刚性，钢丝绳(29至33)在绳索滑轮(22至27)以外的区域配备一个与它固定相连的塑料外壳(47，48)。

Description

使宇宙飞行器上配有太阳能电池的底板运动的传动装置
本发明涉及一种用来使宇宙飞行器上的用铰链像手风琴一样折叠的、并配有太阳能电池的底板运动的绳索传动装置。
已知一种这一类绳索传动装置(参见例如DE-PS 2021580)。通常用它打开两个帆板，它们构成宇宙飞行器的太阳能发电装置。为了展开帆板，各个太阳能底板必须用绳索传动装置使之同步，由此例如每个帆板的重心在展开时在一条规定的轨道上运动，帆板的各个零件以受控的运动到达展开位置。
但是在帆板展开时太阳能底板运动过程的精确同步存在一定困难。例如在展开时绳上出现很大的拉力，这导致绳索的伸长。此外绳相对于传动装置装配时的温度在宇宙航行条件下要经受约±100°K的温度波动。因为绳具有比例如碳素纤维加强的塑料多层材料所制成的底板更大的热膨胀系数，在高温时绳出现松弛现象。为了防止这种情况，必须附加地提高绳的预紧力。因此在低温时绳索滑轮上受到很大拉力，这会导致铰链和太阳能底板上很大的载荷，同时铰链内的摩擦力会明显地增加。
为了确保即使在运行温度剧烈变化时绳上也有确定的预紧力，众所周知，在绳内编入拉簧。但是由此造成一个新的问题。
展开过程的驱动装置例如由底板之间的发条(Triebfeder)构成，发条一边嵌在绳索滑轮上，另一边嵌在可旋转地支承绳索滑轮的底板上。为了在通过发条展开的过程中底板不会不受控地迅速向外，而是以规定的速度打开，通常最里面的铰链，也就是用来使所谓的轭与宇宙飞行器相连的铰链的转动，例如用一个能自锁的传动装置制动，或者在必要时驱动。然后应该通过绳索传动装置最里面的铰链的这个规定的转动速度传递到其余铰链上。
但是如果绳配备拉簧这是不可能的。因为在展开时拉力弹簧导致各个底板不受控的弹入和弹出。
因为各个帆板的底板在展开的最终位置时处于一个平面之内，通常设有相应的制动装置，当到达最终位置时它自动地卡住。因此通过由于绳索传动装置绳索内的拉簧而产生的不受控弹出甚至可能在两个底板之间的制动装置出现过早的卡住，这导致展开过程完全不能控制。
本发明的目的在于：提供一种绳索传动装置，用这种传动装置宇宙飞行器各个帆板的单个太阳能底板的运动过程可以同步进行。
按照本发明上述目的可以用这种传动装置来实现，它带在各个铰链上的绳索滑轮，所述滑轮与一个底板不可旋转地但与相邻的另一个底板可旋转地连接，其中每两个相邻的绳索滑轮由一根环形钢丝绳环绕，所述钢丝绳与滑轮不可旋转地相连接，其特征在于：钢丝绳配备一个与它固定相连的塑料外壳，以使当温度变化时钢丝绳长度的变化与底板长度的变化相匹配，并提高钢丝绳在绳索滑轮以外区域的拉伸刚度。
按本发明两个被绳索环绕的绳索滑轮之间的环形绳的至少一段，但最好是两段直接部分配备一个塑料外壳，它与绳固定相连，例如通过粘接。环绕绳索滑轮铺设并固定在它上面的一段绳不用塑料外壳罩起来，以免影响这个区域内绳的柔性。
由于塑料外壳很高的刚性，钢丝绳的拉伸刚性明显提高，以解决底板展开时由于拉伸力很大而引起的绳索延伸问题。因为按本发明由于塑料外壳在温度升高时钢丝绳的长度变化和底板的长度变化相当，同时绳预先规定的应力也基本保持不变。因此通过绳索传动装置确保展开过程的精确同步。
此外按本发明由于塑料外壳在温度降低时绳的长度变化相应于底板的长度变化。因此既阻止了在运行温度很低时由于高的拉力引起的铰链和底板应力的提高，也阻止铰链内摩擦力的增加。
通过在它的直线部分配备塑料外壳的绳拉伸刚性的提高，同时也防止在展开时底板不能控制的弹来弹去。
绳通常可以是刚制的，特别是不锈合金钢制成的钢丝绳。做钢丝绳外壳的塑料可以是环氧树脂。塑料外壳最好是纤维加强的。作为加强纤维，特别是还出于重量方面的原因，采用碳素纤维，或者例如芳族聚酰胺纤维。底板和轭通常可以由碳素纤维加强的塑料制成。
底板的热膨胀系数通常在-1×10-6和+4×10-61/K之间，钢丝绳的热膨胀系数在14～17×10-61/K左右。底板以及绳索直线部分的长度例如可以在1至4米之间或更长。
为了在温度变化时钢丝绳的长度变化和底板的长度变化相匹配，对于塑料外壳采用一种其热膨胀系数差不多和底板的热膨胀系数相当的塑料。因为钢丝绳由塑料外壳罩起来的部分受热的长度变化与绳索横截面和塑料外壳横截面有关，因此通过塑料外壳横截面可以调整受热的长度变化。
此外受热的长度变化，也就是温度改变时的长度变化还与塑料外壳内加强纤维的取向有关，因此加强纤维相对于绳索纵轴的角度构成调整钢丝绳随温度变化长度改变的另一个参数。
包裹和未包裹塑料外壳的绳索长度之比构成调整受热长度变化的另一个参数。
塑料外壳包裹的钢丝绳部分的拉伸刚度一方面取决于塑料外壳的弹性模量，另一方面取决于它的横截面积。此外加强纤维对拉伸刚度有很大的影响。例如碳素纤维在直径很细时就具有很高的拉伸刚度。它的热膨胀系数也很小。为了充分发挥加强纤维拉伸刚性的作用，它们最好基本上平行于钢丝绳纵轴取向。
为了制造塑料外壳例如可以用浸渍环氧树脂的碳素纤维玻璃丝束最好沿长度方向涂抹在钢丝绳上，并使之硬化。在环氧树脂硬化时同时在塑料外壳和钢丝绳之间形成牢固的粘合连接，与此同时或者在一个单独的工序中可以附加地涂一层由纤维加强的塑料制成的碳素纤维玻璃丝束保护层。
塑料外壳和钢丝绳之间牢固的连接是按本发明的绳索传动装置的前提条件。由于运行时温度载荷剧烈波动这个连接经受巨大的载荷。
可以这样来提高塑料外壳和钢丝绳之间的连接强度，使塑料外壳在它的末端做得逐渐变细。由此在变细区域塑料外壳的热膨胀和钢丝绳的热膨胀相匹配，其结果使钢丝绳和塑料外壳之间的力减小，从而可靠地防止外壳末端区域内粘接的破坏。
钢丝绳由塑料外壳包裹起来的部分的拉伸刚度最好大于钢丝绳本身拉伸刚度的两倍，特别是至少是它的四倍。因为另一方面在展开时钢丝绳具有一定的，即使是很小的弹性作用，拉伸刚度最好在钢丝绳本身(刚度)的四倍到十倍之间。
虽然可以考虑，钢丝绳的直线部分完全由实心的塑料棒代替，绕绳索滑轮运动的那部分钢丝绳固定在它里面。除了钢丝绳固定在塑料棒里有困难之外，按本发明的钢丝绳的塑料包裹可确保环形钢丝绳足以克服在钢丝绳直线区域内单个元件的断裂以及克服塑料外壳的断裂。
以下实施例用来对本发明作进一步的说明：
例子：
用来展开太阳能底板的常用绳索传动装置的绳索包上里面放有沿绳索长度方向的碳素纤维的环氧树脂。由不锈钢制成的绳索直径为1.6mm，塑料外壳外径为5mm。钢丝绳用塑料包裹起来的部分的热膨胀系数确定为0.4×10-61/K。
下面借助于附图对本发明的绳索传动装置的结构形式作较详细的说明。其中示意表示：
图1宇宙飞行器的太阳能电池帆板在展开过程开始时的顶视图；
图2按图1的帆板的一部分的侧视图；
图3带有局部去除塑料外壳的一段钢丝绳的透视图。
按图1在宇宙飞行器，例如人造卫星1上手风琴式折叠地安装一个太阳能电池帆板2。安装在人造卫星1相对的另一侧上的第二个结构相同的太阳能电池帆板在图1中没有画出来。
两个太阳能电池帆板中的每一个具有例如五块底板3至7，它们构成没有画出来的太阳能电池的支承面。最里面一块底板3通过铰链10与所谓的轭(Joch)8相连，轭通过一个铰链9固定在人造卫星1上。底板3至7相互之间通过铰链11至14相连。铰链9至14的轴线相互平行分布。在图2中较详细地画出了底板4、5和6之间的铰链12和13。
为了展开太阳能电池帆板，设有一个驱动装置，例如发条，用发条由人造卫星向轭施力，由轭向底板3施力，底板4至7相互施力，如图1中由双箭头15至19所示。为了在展开时帆板2的重心S在预先规定的直线轨道21上运动，设有一个绳索传动装置，它由绳索上滑轮22至27和铰链9至14上的绳索下滑轮组成，其中在图2上可以看到绳索下滑轮中的滑轮25′和26′。绳索上滑轮22至27和下滑轮25′，26′成对地通过绳索29至3 3相连。做成环形的绳索29至33环绕相关的一对绳索滑轮，并且如图2所示，在部位45，46处与绳索滑轮25，26固定连接。
借助于图2中的铰链12可以看到，每个铰链由两个折页35、36连同各一个装在轴承39，40中的轴37，38组成。折页35的轴与底板4不可旋转地连接，折页36的轴38与底板5不可旋转地连接。轴承39、40固定在底板5或4上。
因此例如在通过铰链1 2相互连接的两个相邻底板4和5中，绳索上滑轮25与底板4不可旋转地连接，绳索下滑轮25′与底板5不可旋转地连接。
图1中由箭头15至19所表示的，用来展开底板3至7的驱动装置，如图2所示，可以由发条42、43构成，它一端固定在折页35、36的轴37或38上，另一端固定在底板5或4上。按照本发明环形绳索的直线部分，如图2中的绳索32所示，在绳索滑轮25，26以外配有塑料外壳47，48。为了不影响在绳索滑轮25，26区域内的柔性，绳32在这个区域内可以分段地配备塑料外壳，这在图中没有画出来。
如图3所示，塑料外壳4 7配有加强纤维50，它们主要平行于钢丝绳纵轴分布。在塑料外壳的末端49处它锥形收缩。塑料外壳47另一个在图3中没有画出来的末端同样做得锥形收缩。

Claims (10)

1.一种用来使宇宙飞行器上的用铰链像手风琴一样折叠的、且配有太阳能电池的底板运动的传动装置，带在各个铰链上的绳索滑轮，所述滑轮与一个底板不可旋转地但与相邻的另一个底板可旋转地连接，其中每两个相邻的绳索滑轮由一根环形钢丝绳环绕，所述钢丝绳与滑轮不可旋转地相连接，其特征在于：钢丝绳(29至33)配备一个与它固定相连的塑料外壳(47，48)，以使当温度变化时钢丝绳长度的变化与底板(3至7)长度的变化相匹配，并提高钢丝绳在绳索滑轮(22至27；25′、26′)以外区域的拉伸刚度。
2.按权利要求1的传动装置，其特征在于：塑料外壳(47，48)是纤维加强的。
3.按权利要求1的传动装置，其特征在于：当温度变化时钢丝绳(29至33)的长度变化通过塑料外壳(47，48)的热膨胀系数和横截面积与底板(3至7)的长度变化相匹配。
4.按权利要求2或者3的传动装置，其特征在于：当温度变化时钢丝绳(29至33)的长度变化通过加强纤维(50)相对于钢丝绳纵轴的角度与底板(3至7)的长度变化相匹配。
5.按权利要求1的传动装置，其特征在于：钢丝绳包着塑料外壳(47，48)那一段的拉伸刚性可以通过塑料外壳(47，48)的横截面积和弹性模量加以调整。
6.按权利要求2的传动装置，其特征在于：钢丝绳包裹塑料外壳(47，48)那一段的拉伸刚性可以通过加强纤维(50)相对于钢丝绳纵轴的角度加以调整。
7.按权利要求1的传动装置，其特征在于：钢丝绳包裹塑料外壳(47，48)那一段的拉伸刚度至少是钢丝绳拉伸刚度的两倍。
8.按权利要求1的传动装置，其特征在于：塑料外壳(47，48)在其末端具有一个逐渐变细的部分(49)。
9.按权利要求2的传动装置，其特征在于：加强纤维(50)由碳素纤维构成。
10.按权利要求1的传动装置，其特征在于：钢丝绳(29至33)逐段地用塑料外壳包裹，以使在绳索滑轮(22至27)区域内的柔性不致受到削弱。
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