CN109760855A - 一种柔性空间太阳能帆板 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性空间太阳能帆板，涉及太阳能帆板技术领域，包括：太阳能收集装置，适于卷曲与太阳能发电；柔性展开装置，适于带动所述太阳能收集装置卷曲收拢与展开；芯轴，所述太阳能收集装置与所述柔性展开装置卷曲收拢时均缠绕在所述芯轴上；展开控制装置，适于控制所述柔性展开装置沿与所述芯轴切面平行的平面展开；支架，适于连接所述太阳能收集装置与航天器。本发明所述的柔性空间太阳能帆板，利用形状记忆聚合物复合材料制备展开过程可控、对航天器冲击小的太阳能帆板骨架结构，实现了太阳能帆板一体化的设计制备，能在发射阶段对太阳能帆板较大体积卷曲收拢，且重量轻，同时展开可靠性得到提升。

Description

一种柔性空间太阳能帆板

技术领域

本发明涉及太阳能帆板技术领域，特别涉及一种柔性空间太阳能帆板。

背景技术

空间太阳能帆板主要用于太空舱、卫星、外星球探测器等航天领域航天器的供电系统。传统太阳能帆板多是刚性结构，多块帆板间通过机械结构连接。在运载至太空之前通过连接部位的机械结构实现太阳能帆板的折叠以减小发射体积，由运载火箭运送至预定位置后通过机械连接结构实现驱动展开增大帆板面积进入工作状态，然而机械式的帆板存在诸多问题：机械连接结构复杂、重量重；多级机械连接结构串并联使用降低了太阳能帆板的整体可靠性；帆板展开所需动力多由存储在弹簧中的弹性势能提供，释放展开帆板时可控性低，对航天器会造成冲击。

为了克服机械式帆板结构复杂与冲击力强等问题，出现了诸如使用形状记忆聚合物材料做驱动装置的柔性太阳能帆板，并较好的解决了现有太阳能帆板机械装置多、结构复杂、可靠性低、展开时对航天器具有冲击等问题，但是现有技术设计的柔性太阳能帆板存在收拢体积大、展开过程不可控制与展开轨迹难于预测等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种柔性空间太阳能帆板，以解决现有技术中收拢体积大、展开过程不可控制与展开轨迹难于预测等问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种柔性空间太阳能帆板，包括：

太阳能收集装置，适于卷曲与太阳能发电；

柔性展开装置，适于带动所述太阳能收集装置卷曲收拢与展开；

芯轴，所述太阳能收集装置与所述柔性展开装置卷曲收拢时均缠绕在所述芯轴上；

展开控制装置，适于控制所述柔性展开装置沿与所述芯轴切面平行的平面展开；

支架，适于连接所述太阳能收集装置与航天器。

进一步地，所述太阳能收集装置包括柔性太阳能电池板，或者所述太阳能收集装置包括由刚性太阳能电池板通过柔性透光薄膜连接构成的可弯折式太阳能电池板。

进一步地，所述柔性展开装置包括可展开梁装置，所述可展开梁装置由非形状记忆纤维增强复合材料、形状记忆聚合物材料或形状记忆聚合物复合材料制备而成。

进一步地，所述可展开梁装置由形状记忆聚合物材料或形状记忆聚合物复合材料制成时，所述柔性展开装置还包括加热装置，所述加热装置包括加热膜，所述加热膜设置在所述可展开梁装置的表面。

进一步地，所述可展开梁装置为长条形，所述可展开梁装置的横截面形状为C型、S型、π型、圆型、椭圆型和豆荚杆型中的任意一种。

进一步地，所述柔性展开装置包括两个，所述太阳能收集装置设置在两个所述柔性展开装置之间。

进一步地，所述展开控制装置包括约束带，所述柔性展开装置卷曲收拢在所述芯轴上时，所述约束带周向环绕在卷曲收拢的所述柔性展开装置的外侧。

进一步地，所述展开控制装置还包括弹性装置与支撑架，所述约束带的一端与所述支撑架固定连接，所述约束带的另一端与所述弹性装置固定连接，所述弹性装置与所述支撑架固定连接。

进一步地，所述弹性装置与所述支撑架之间设有端口，所述端口适于所述柔性展开装置穿过。

进一步地，所述可展开梁装置由形状记忆聚合物材料或形状记忆聚合物复合材料时，所述柔性展开装置还包括加热装置，所述加热装置包括加热器，所述加热器适于加热所述端口处的所述柔性展开装置。

相对于现有技术，本发明所述的柔性空间太阳能帆板具有以下优势：

本发明所述的柔性空间太阳能帆板，太阳能收集装置卷曲收拢，在收拢效率上高于传统刚性折叠式太阳能帆板，并通过展开控制装置控制太阳能帆板以直线的延伸方式打开，展开过程可控，展开程度大，有利于太阳能帆板对太阳能的收集，并减缓了帆板展开过程对航天器的冲击；本发明利用形状记忆聚合物复合材料制备展开过程可控、对航天器冲击小的太阳能帆板骨架结构，实现了太阳能帆板一体化的设计制备，重量轻，同时展开可靠性得到提升；采用局部加热方式进行加热，使得加热需要提供的热功率更小，加热部位更具有针对性，加热效率高，并且已经展开回复的部分不再受热，展开后的材料温度降低，材料模量上升，能及时为结构提供更高的刚度，更有利于对大型伸展结构的支撑作用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例一所述的柔性空间太阳能帆板展开示意图；

图2为本发明实施例一所述的柔性展开装置示意图；

图3为本发明实施例一所述的可展开梁装置横截面示意图；

图4为本发明实施例一所述的柔性空间太阳能帆板展开端示意图；

图5为本发明实施例一所述的展开控制装置示意图一；

图6为本发明实施例一所述的展开控制装置示意图二；

图7为本发明实施例二所述的加热装置示意图。

附图标记说明：

1-太阳能收集装置，2-柔性展开装置，21-可展开梁装置，22-加热装置，3-芯轴，4-展开控制装置，41-约束带，42-弹性装置，421-弹簧，422-连接杆，43-支撑架，431-滚轮，44-端口，5-支架。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

实施例一

本实施例提供了一种柔性空间太阳能帆板，结合图1所示，包括太阳能收集装置1、柔性展开装置2、芯轴3、展开控制装置4与支架5，太阳能收集装置1设置在航天器上，在航天器进入预定轨道前，太阳能收集装置1需要收拢确保较小的体积，防止航天器升空过程中与大气层摩擦或者因发生剧烈振动而损坏，在航天器进入到预定轨道后，太阳能收集装置1需要展开确保较大的外表面积，使得太阳能收集装置1能够在太空中以最大的面积接收太阳的照射进行太阳能发电，本实施例中，太阳能收集装置1在收拢时以卷曲状收拢，太阳能收集装置1展开时只需将卷曲状逐渐展开为长条状，展开过程平缓，收拢时的体积较小；太阳能收集装置1存在收拢与展开两种状态，柔性展开装置2能够带动太阳能收集装置1卷曲收拢与展开，并确保柔性展开装置2带动太阳能收集装置1展开过程中无剧烈的冲击，较好的，柔性展开装置2由形状记忆聚合物材料制成，依靠形状记忆聚合物的形状记忆功能，在温度超过玻璃化转变温度时自动展开；芯轴3，在太阳能收集装置1与柔性展开装置2卷曲收拢时均缠绕在芯轴3上，芯轴3为圆柱形滚轴，由于柔性展开装置2的一端与航天器连接，使得柔性展开装置2由卷曲收拢状展开成长条状时芯轴3会向一侧产生移动，进而带动太阳能收集装置1转动并由卷曲收拢状态展开成长条状；展开控制装置4，适于控制柔性展开装置2由卷曲状展开成长条状过程中沿与芯轴3的切面相平行的平面展开，即柔性展开装置2在展开过程中芯轴3沿着直线方向移动，并带动太阳能收集装置1进行展开，对太阳能收集装置1的展开过程进行精准的控制，太阳能收集装置1展开后为长条状；支架5适于连接太阳能收集装置1与航天器，确保太阳能收集装置1与航天器的固定连接。

太阳能收集装置1由柔性太阳能电池板构成，或者由刚性太阳能电池板通过柔性透光薄膜连接而成的可弯折式太阳能电池板，即刚性太阳能电池板通过柔性透光薄膜的柔性使得太阳能电池板可发生弯折，并可绕芯轴3进行卷曲收拢，柔性透光薄膜包括聚酰亚胺等材料制成，实现太阳能收集装置1在芯轴3上卷曲收拢。

结合图2所示，柔性展开装置2包括可展开梁装置21，可展开梁装置21为长条状，具体的，可展开梁装置21制备材料选择可以是多样化的，当其横截面壁厚较薄时，可采用一般纤维增强复合材料利用其自身薄壁可储存弹性应变的性能实现柔性卷曲和展开，所述一般纤维增强复合材料是指非形状记忆纤维增强复合材料，即基体相未经过改性而不具备形状记忆功能，依靠自身的弹性进行展开，所述一般纤维增强复合材料的增强相可以为碳纤维、玻璃纤维、凯夫拉纤维等常用连续或短切纤维，基体相可为环氧、氰酸酯、苯乙烯、聚氨酯等树脂，非形状记忆纤维增强复合材料比传统金属材料具有比强度、比模量高，耐腐蚀性好的优点，当使用弹性进行驱动展开时，展开控制装置4上可设置锁定装置，当不需要展开时锁定装置关闭，当需要展开时打开锁定装置，非形状记忆纤维增强复合材料在自身弹性状态下展开，展开方向受展开控制装置4控制；而当截面壁厚较厚时，需要采用形状记忆聚合物来实现卷曲过程中的材料大变形，较好地采用形状记忆聚合物材料或形状记忆聚合物材料复合材料，形状记忆聚合物复合材料包括基体相和增强相，基体相指形状记忆聚合物材料，根据使用环境要求的不同而选择不同树脂，一般可采用环氧类或氰酸酯类形状记忆聚合物，环氧类聚合物玻璃化转变温度根据材料改性的不同可选范围为80～180℃，而氰酸酯类聚合物选择范围为180～200℃，增强相可以是连续纤维、短切纤维或颗粒，较好地是具有较好力学性能的连续纤维，比如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维与聚乙烯纤维等；结合图3所示，可展开梁装置21的横截面包括C型、S型、π型、圆型、椭圆形或豆荚杆型等，截面高度、宽度根据实际所需太阳能帆板的展开大小而确定，截面高度越大，可展开柔性单元的刚度越大，约有利于太阳能帆板的大型展开，如S型截面比C型截面具有更高的结构稳定性，可减少梁单元在使用过程中的扭转，一般而言高宽比越大，截面惯性矩越大，两单元材料利用率也就越大，但截面过高以及高度太大容易会引起难以卷曲的问题；豆荚杆型结构为闭口型截面，抗弯刚度、抗扭转刚度均比C性截面有优势，同时该截面可以先在高度方向进行压缩，增大截面柔度后再进行卷曲收拢。

当可展开梁装置21由形状记忆聚合物材料制成时，柔性展开装置2还包括加热装置22，当可展开柔性梁单元截面厚度较大，不利于大变形卷曲的时候，需要利用加热装置22对形状记忆聚合物材料进行加热，降低复合材料弹性模量，使其能够利用复合材料的形状记忆效应实现大变形，冷却后能够保持卷曲状态，同时在再次加热情况下能够恢复到原始的形状，避免材料在大变形卷曲的过程中破坏，本实施例中的加热装置22采用直接粘贴在可展开梁装置21表面的加热膜，实现整体加热，加热膜的厚度在0.1～1mm范围内。

本实施例所述的柔性空间太阳能帆板，结合图4所示，柔性展开装置2包括两个，太阳能收集装置1设置在两个柔性展开装置2之间，使得太阳能收集装置1的两侧受力更加均匀，防止太阳能收集装置1展开过程中受力不均而无法展开，相对应的，展开控制装置4设置为两个，两个展开控制装置4分列在芯轴3的两端，在柔性展开装置2的展开过程中，展开控制装置4不会发生转动，使得柔性展开装置2展开过程沿直线展开，展开后更加的平直。

本实施例中，结合图5所示，展开控制装置4包括约束带41、弹性装置42与支撑架43，支撑架43由两个竖杆和一个横杆构成，横杆设置在两个竖杆之间，且横杆与竖杆相垂直，两个竖杆相平行，支撑架43上设有滚轮431，滚轮431设置在横杆上，本实施例中滚轮431有两个，能够有效的防止柔性展开装置2展开过程中与支撑架43的横杆发生摩擦；柔性展开装置2卷曲收拢在芯轴3上时，约束带41的一端固定在支撑架43的横杆上，约束带41的另一端周向绕过卷曲收拢的柔性展开装置2并同样固定在支撑架43上，约束带41周向环绕在在卷曲收拢的柔性展开装置2外侧，在约束带41的作用下，柔性展开装置2在脱离约束带41处位置开始发生形变，使得展开过程中柔性展开装置2的自由端沿直线方向展开，展开控制装置4沿直线移动，展开过程得到较佳地控制；本实施例中，可通过在约束带41或柔性展开装置2上用镀层、涂层、或者贴附等方式增加诸如二硫化钼、软金属、石墨等摩擦系数极小的材质，只需在约束带41朝向柔性展开装置2的一侧，或者在柔性展开装置2朝向约束带41的一侧，实现展开过程中的小摩擦滑动；或者在约束带41朝向柔性展开装置2的一侧安置滚轮或滚轴，将柔性展开装置2和约束带41之间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，以达到减小摩擦的效果，有利于柔性展开装置2的伸长。

较佳地，结合图6所示，展开控制装置4还包括弹性装置42，弹性装置42包括两个弹簧421与连接杆422，约束带41的一端连接在连接杆422上，两个弹簧421的一端分别连接在连接杆422的两端，两个弹簧421的另一端固定连接在支撑架43的横杆上，弹性装置42与支撑架43固定连接，且弹性装置42与支撑架43之间设有端口44，端口44为通孔，端口44适于柔性展开装置2穿过，方便约束带41对柔性展开装置2的收拢作用，卷曲收拢状态下的柔性展开装置2具有向四周释放约束力展开的特点，约束带41有利于限制柔性展开装置2沿四周的展开位移，使得展开方向仅沿端口44的出口方向；约束带41连接弹性装置42的目的在于可根据柔性展开装置2收拢的大小实时调整约束的大小，使约束带41始终可以提供对卷曲部分的约束力，同时可根据柔性展开装置2释放力的大小选择合适参数的弹簧，包括刚度系数k与尺寸大小等系数，本实施例以弹簧为例，凡是能起到拉紧所用的弹性装置均可以作为替换使用。

本实施例提供了一种柔性空间太阳能帆板，支架5连接至航天器上，另一端保持自由不受约束，太阳能帆板处于收拢状态时，太阳能收集装置1和柔性展开装置2均卷曲缠绕在对应的芯轴3上，实现太阳能帆板在航天器发射前的收拢状态；当航天器达到预定轨道后，柔性展开装置2在展开控制机构4周围径向约束下沿切面平行方向展开，不受约束端随着柔性展开装置2的展开而沿直线伸向远处，随着柔性展开装置2的展开，太阳能收集装置1也随着由卷曲收拢状态展开为长条状态，并用于太阳能收集与转化。

本实施例所述的柔性空间太阳能帆板以卷曲的方式进行收拢，在收拢效率上高于传统刚性折叠式太阳能帆板；且帆板骨架结构一体化成型、结构简单，结构效率高、重量大大减轻、展开可靠性得到提升；利用形状记忆聚合物复合材料进行驱动，可以实现对帆板可控展开，减缓帆板展开过程对航天器的冲击。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于，当可展开梁装置21由形状记忆聚合物材料制成时，结合图7所示，柔性展开装置2同样包括加热装置22，所述加热装置22包括一加热器，加热器设置在展开控制机构4的端口44处，即只有在端口44处形状记忆聚合物材料从卷曲变成伸展状态的局部进行加热，局部加热展开实现方式如图7所示，在柔性展开装置2由卷曲收拢状展开的过渡部分位置处设置加热器，该加热器可采用类似于吹风机原理将内部产生的热源通过热流和辐射的方式传递到柔性展开装置2过渡部分，以此实现仅对结构正在发生形状回复的部分进行加热，本实施例以吹风式加热方式为例，其他类型的加热方式能够对柔性展开装置2的过渡部分进行加热的加热器，均落入本发明的保护范围内，本实施例中加热器的位置设置在支撑架43的横杆上，但不限定加热器的位置仅设置在支撑架43上，凡是能够加热端口44处的柔性展开装置2，无论加热器设置在什么位置，均落入本发明的保护范围内。

本实施例中，可展开梁装置21的加热采用局部加热的方式进行，使得加热需要提供的热功率更小，加热部位更具有针对性，加热效率高，并且已经展开回复的部分不再受热，展开后的材料温度降低，材料模量上升，能及时为结构提供更高的刚度，更有利于对大型伸展结构的支撑作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性空间太阳能帆板，其特征在于，包括：

太阳能收集装置(1)，适于卷曲与太阳能发电；

柔性展开装置(2)，适于带动所述太阳能收集装置(1)卷曲收拢与展开；

芯轴(3)，所述太阳能收集装置(1)与所述柔性展开装置(2)卷曲收拢时均缠绕在所述芯轴(3)上；

展开控制装置(4)，适于控制所述柔性展开装置(2)沿与所述芯轴(3)切面平行的平面展开；

支架(5)，适于连接所述太阳能收集装置(1)与航天器。

2.根据权利要求1所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述太阳能收集装置(1)包括柔性太阳能电池板，或者所述太阳能收集装置(1)包括由刚性太阳能电池板通过柔性透光薄膜连接构成的可弯折式太阳能电池板。

3.根据权利要求1所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述柔性展开装置(2)包括可展开梁装置(21)，所述可展开梁装置(21)由非形状记忆纤维增强复合材料、形状记忆聚合物材料或形状记忆聚合物复合材料制备而成。

4.根据权利要求3所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述可展开梁装置(21)由形状记忆聚合物材料或形状记忆聚合物复合材料制成时，所述柔性展开装置(2)还包括加热装置(22)，所述加热装置(22)包括加热膜，所述加热膜粘设置在所述可展开梁装置(21)的表面。

5.根据权利要求3所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述可展开梁装置(21)为长条形，所述可展开梁装置(21)的横截面形状为C型、S型、π型、圆型、椭圆型和豆荚杆型中的任意一种。

6.根据权利要求4或5任一所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述柔性展开装置(2)包括两个，所述太阳能收集装置(1)设置在两个所述柔性展开装置(2)之间。

7.根据权利要求3所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述展开控制装置(4)包括约束带(41)，所述柔性展开装置(2)卷曲收拢在所述芯轴(3)上时，所述约束带(41)周向环绕在卷曲收拢的所述柔性展开装置(2)的外侧。

8.根据权利要求7所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述展开控制装置(4)还包括弹性装置(42)与支撑架(43)，所述约束带(41)的一端与所述支撑架(43)固定连接，所述约束带(41)的另一端与所述弹性装置(42)固定连接，所述弹性装置(42)与所述支撑架(43)固定连接。

9.根据权利要求8所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述弹性装置(42)与所述支撑架(43)之间设有端口(44)，所述端口(44)适于所述柔性展开装置(2)穿过。

10.根据权利要求9所述的柔性空间太阳能帆板，其特征在于，所述可展开梁装置(21)由形状记忆聚合物材料或形状记忆聚合物复合材料制成时，所述柔性展开装置(2)还包括加热装置(22)，所述加热装置(22)包括加热器，所述加热器适于加热所述端口(44)处的所述柔性展开装置(2)。