CN112202399A - 一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种可实现双自由度对日定向的太阳能帆板模块化能量单元，包括模块框架、太阳能帆板、控制太阳能帆板二维旋转的控制器和执行机构以及接口模块。太阳能帆板折叠后紧贴于立方星体侧表面，保证安装本模块后的星体仍属于标准尺寸，能够使用标准立方星弹射器发射，发射后再进行太阳翼展开并与转轴锁定，继而在俯仰、滚转两个通道进行转动，实现双自由度太阳追踪，提高光伏电池对太阳能的转化效率，增加相同太阳能帆板面积下的光伏产能；使用标准化的接口模块实现多太阳翼模块的组合工作与功率容量扩展，仅改变帆板长度和不同立方星截面下的机构配置，即可以独立模组的形式适配不同构型立方体卫星，简化立方星设计。

Description

一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元

技术领域

本发明专利属于立方星能源技术领域，具体涉及一种可实现双自由度对日定向的太阳能帆板模块化能量单元。

背景技术

立方体卫星(CubeSat)最早由美国加州理工学院和斯坦福大学在1999年提出，由10×10×10cm³的立方标准单元(1U)构成，通常记立方星的尺寸为1U、2U、……、12U等。立方星具有体积小、质量轻、成本低、研发快等优势，且与一般传统卫星的显著区别是采用了模块化设计、组装的思想。这样方便了卫星测试与发射，确保了技术延续性和成熟度，降低了成本。但是立方星的发展仍旧存在一个重要的问题——能源对立方星载荷能力的限制。在立方星技术验证和应用中有效载荷的功率需求不断增加，但当前太阳能帆板的安装方式限制了立方星的光伏产能，无法满足大功率载荷需求。

太阳翼的光伏产能主要受到太阳能帆板有效工作面积和太阳光入射角等因素的影响。当前立方星太阳翼的安装方式主要分为体装表贴式、折叠展开式、折叠展开单轴定向式等。体装表贴式是将太阳能帆板贴于星体外表面，这种产能方式受星体表面积和太阳入射角度限制；折叠展开式增加了额外的可展开式太阳能帆板，通过增大太阳能帆板的面积实现光伏产能的扩容；折叠展开单轴定向式在折叠展开式的基础上增加了单自由度的转动机构，通过控制太阳能帆板随入射太阳光角度单自由度转动进一步增大光伏产能。专利《太阳翼展开机构、太阳能发电装置及立方星》(专利公开号CN207015601U)公开了一种对日单自由度定向太阳能帆板展开机构，相比于无对日定向太阳能帆板结构在一定程度上提高了光伏产能。但其仍旧存在着一些不足，比如：(1)展开机构不能进行快速的模块化安装，难以与立方星体进行模块化配合；(2)展开机构需要与立方星内部结构相关联，不符合立方星模块化思想的设计理念；(3)使用单自由度设计，无法实现对太阳光入射角度的二维追踪，并不能够使太阳能帆板光伏产能最大化。

此外，目前立方星的各种不同型号太阳能帆板多是根据具体立方星构型进行相应设计和研制，不同立方星太阳能帆板的安装方式与构型各不相同，这样使得每研制一颗立方星都需要对其太阳能帆板进行专门的设计、测试和验证，此过程需要花费大量的时间、人力和物力。

发明内容

针对现阶段立方星受太阳能帆板安装方式影响导致光伏产能低进而对立方星载荷能力造成限制的问题，本发明提出一种可实现双自由度对日定向的太阳能帆板模块化能量单元(以下简称太阳翼模块)，其特点是对于单个太阳翼模块而言，具有一个立方标准单元框架(1U)和至少一个符合立方星尺寸规范的模块化太阳能帆板，立方标准单元框架内部安装的驱动控制和执行机构能够带动太阳能帆板运动，实现太阳能帆板二自由度对日定向功能，使得太阳光相对于太阳翼始终保持良好的入射角，从而将太阳能帆板光伏产能最大化，可在相同光伏电池面积情况下提高立方星的在轨产能。

此外，鉴于以往不同型号立方星需重新定制设计太阳翼的构型导致成本增加和研制周期增长的问题，本发明采用模块化、拼装式设计思想，太阳翼模块通过立方标准单元框架作为一个单独的单元安装于立方星一端，并根据立方星的构型选择对应长度的太阳能帆板，因此只需要通过对单个或多个太阳翼模块进行简单组合、对接和剪裁即可应用于各种构型的标准立方星，从而能够简化立方星太阳能帆板设计过程，减少立方星设计成本，缩短设计周期；立方标准单元框架内部安装机构，实现太阳能帆板可双自由度转动以跟随太阳矢量在空间内的二维方向变化，从而实现高效率的太阳能收集和电能转化、提高立方星太阳能帆板的光伏产能。

为了实现上述双自由度对日定向功能并取得更好的效果，本发明及其优选方案需要考虑以下因素：

(1)立方星在轨释放使用标准尺寸弹射器对其进行弹射，因此星体外表面需为一个无外凸结构的标准长方体，即太阳能帆板在起始状态(展开前)需与立方星外表面完全贴合；

(2)立方星在轨弹射释放后，太阳能帆板能够解锁后慢速展开，减小太阳能帆板展开运动对卫星本体姿态的扰动，并要在达到预定展开位置时能够对太阳能帆板机构再次进行锁止限位；

(3)太阳翼模块能够不依赖立方星本体而独立决策并控制太阳能帆板转动，实现双自由度对日定向运动；

(4)综合考虑光伏产能最大化需求和立方星框架对太阳翼转动执行机构运动俯仰角度的物理限制，还需要确定执行机构俯仰运动最大可用工作角度；

(5)进一步的太阳翼模块根据立方星构型选取不同长度尺寸的太阳能帆板时，为保证太阳能帆板和星体在展开过程中无碰撞，还确定展开机构中扭簧参数和俯仰轴摆动延迟时间的计算方法。

本方案提出了以1U为标准单元的太阳翼模块，模块内置有控制太阳能帆板二维旋转的执行机构，通过设置四套执行机构能够同时独立带动四个太阳能帆板运动，每套执行机构具有俯仰和滚转两路驱动通道，可实现所带动的太阳能帆板双自由度运动，从而完成二维对日定向，改善太阳光入射角，以此提升太阳能帆板对太阳光的转化利用效率；当然，根据具体需要，在模块内也可以设置三套或两套执行机构，并将多个太阳翼模块组合。

此外太阳翼模块设置三个标准化接口用于与立方星本体相连，分别是通信接口、电源接口和机械接口。通信接口用于和立方星本体、以及可能有的其它太阳翼模块之间进行通信，使得模块与星体、模块与模块之间具备信息传输和控制能力；电源接口用于向立方星本体传输太阳能光伏电池产生的电能；机械接口用于连接本模块和立方星本体，将本模块固联于立方星本体的一侧端面。

本模块使用了立方星标准1U框架作为结构基础，综合考虑了对日定向旋转角度、展开方式、机械结构，最终形成了太阳翼模块如下：

(1)模块化组装，本模块可以任意配置于不同端面构型的立方星体，太阳翼模块之间可利用预留的标准接口实现多模块组合的一体化配置，例如端面为1U截面的立方星可安装1个太阳翼模块、端面为4U截面的立方星可安装4个太阳翼模块；

(2)驱动装置模块化安装，每个模块具有同时驱动4个太阳能帆板对日定向的能力，且每套太阳能帆板驱动执行机构都独立工作，因此可以根据太阳翼模块的安装构型实现太阳能帆板驱动装置的模块化选装和按需配置；

(3)每个太阳能帆板驱动装置的运动都能够进行独立解算，本模块在每个太阳能帆板上都装有太阳敏感器，用于感知太阳光照矢量获得当前太阳的相对位置和太阳能帆板旋转角度信息，并将其作为驱动装置控制回路中的主传感器；

(4)通用标准化接口互联，通过通信、电源、机械标准化接口实现了太阳翼模块与立方星、太阳翼模块和太阳翼模块之间的一体化固连、电能传输与信息交互；

(5)太阳能帆板发射前初始状态为俯仰通道执行机构竖直向上且太阳能帆板相对于转轴向下折叠，通过绑线约束太阳能帆板，实现立方星在弹射器内部时太阳能帆板与星体表面完全贴合；

(6)根据要求的太阳能帆板展开时间和所选型太阳能帆板机械尺寸，推导计算获得合适的扭簧参数和太阳能帆板俯仰运动套管展开延迟时间，从而实现太阳翼的无碰撞展开。

在立方星从弹射器中弹射进入太空并达到星体姿态稳定后，立方星本体向太阳翼模块发出展开太阳能帆板的指令信号，固定太阳能帆板的绑扎线被熔断，太阳能帆板在扭簧的作用下，由起始紧贴星体表面的状态，在扭簧驱动下开始缓速向外展开并向上翻折，间隔一定的延迟时间后，俯仰通道执行机构开始驱动太阳翼俯仰轴向下转动，最终俯仰通道执行机构驱动俯仰套到达与底板平行位置并停止，且太阳能帆板也随之运动至与底板平行位置并在锁止机构的作用下实现与太阳翼滚转轴的锁定限位。此后太阳翼模块开始工作，首先太阳翼模块会根据太阳光矢量相对于太阳敏感器的入射角度解算出俯仰和滚转两个通道的转动角度，接着由太阳翼模块的控制器根据俯仰、滚转角度信息控制两通道伺服电机工作，太阳能帆板俯仰、滚转通道在各自电机的驱动下，转动至太阳光垂直入射的位置。在转动过程中太阳敏感器作为反馈传感器，对太阳光的入射角度进行实时测量，最终通过闭环控制将太阳光入射角稳定在俯仰、滚转方向均为90°垂直入射的状态，当太阳光的入射角度偏差超过预先设定的阈值时电机再次开始工作，操纵相应通道伺服装置进行闭环控制消除入射角偏差。随后不断重复上述过程，实现太阳能帆板二维对日定向。

具体而言，本发明的技术方案为：

所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：根据立方星端面布局，选择一个或多个所述能量单元安装于立方星端面；

所述能量单元包括模块框架、太阳能帆板、控制太阳能帆板二维旋转的控制器和执行机构以及接口模块；

所述模块框架采用立方星标准1U框架；控制太阳能帆板二维旋转的控制器和执行机构以及接口模块安装在模块框架中；

根据立方星端面布局，在所述模块框架的一个或多个侧面布置有太阳能帆板；单个所述太阳能帆板的尺寸与N+1个立方星标准单元沿一个方向累加后的整体侧面尺寸匹配；所述太阳能帆板由各自对应的所述执行机构独立控制进行二维旋转，且太阳能帆板在展开前的起始状态时，与立方星侧表面完全贴合；所述太阳能帆板的光伏电池安装面上具有太阳敏感器，能够感知当前光伏电池的入射太阳光角度；根据当前光伏电池的入射太阳光角度，所述控制器能够控制执行机构驱动太阳能帆板二维旋转，使太阳能帆板光伏电池安装面的法线方向始终指向太阳；

所述接口模块包括通信接口、电源接口和机械接口；所述通信接口所述能量单元与立方星进行通信，所述电源接口能量单元向立方星传输光伏电池产生的电能，所述机械接口用于连接能量单元与立方星。

进一步的，太阳能帆板二维旋转运动分为：太阳能帆板在长度方向一端进行的太阳能帆板展开俯仰运动，以及太阳能帆板整体绕长度方向的滚转运动。

进一步的，所述执行机构包括俯仰通道驱动电机以及太阳能帆板俯仰运动套管；所述俯仰通道驱动电机的驱动轴平行于所述模块框架的底面以及该执行机构所对应的模块框架侧面；所述俯仰通道驱动电机能够驱动太阳能帆板俯仰运动套管绕俯仰通道驱动电机驱动轴转动，且太阳能帆板俯仰运动套管的长度方向与俯仰通道驱动电机驱动轴垂直；

所述太阳能帆板俯仰运动套管内沿套管长度方向安装有太阳能帆板滚转轴和滚转通道伺服电机；所述滚转通道伺服电机能够驱动太阳能帆板滚转轴绕自身轴线转动；

所述太阳能帆板滚转轴一端与太阳能帆板滚转轴端盖固定连接，并能够带动太阳能帆板滚转轴端盖同步转动；所述太阳能帆板滚转轴端盖边缘与所述太阳能帆板长度方向一端边缘通过转动部件连接，且所述转动部件的转轴平行于俯仰通道驱动电机驱动轴；所述转动部件上安装有弹性驱动机构，所述弹性驱动机构能够驱动太阳能帆板绕转动机构转轴进行太阳能帆板展开俯仰运动至太阳能帆板面与太阳能帆板滚转轴平行，且太阳能帆板面与太阳能帆板滚转轴平行后，太阳能帆板长度方向端部与太阳能帆板滚转轴端盖顶紧限位，保持太阳能帆板面与太阳能帆板滚转轴平行状态。

进一步的，太阳能帆板展开过程中，太阳能帆板俯仰运动套管绕俯仰通道驱动电机驱动轴转动的时针方向，与太阳能帆板绕转动部件转轴转动的时针方向相反。

进一步的，太阳能帆板展开过程中，起始时所述弹性驱动机构驱动太阳能帆板绕转动机构转轴以角速度ω₁转动，经延迟时间t_d后再控制太阳能帆板俯仰运动套管绕俯仰通道驱动电机驱动轴以角速度ω₂转动，且ω₁≥ω₂。

进一步的，通过设计所述转动部件的参数，避免转动部件驱动力矩过大使得角速度ω₁过高，而造成太阳能帆板在延迟时间t_d结束前即展开到太阳能帆板面与太阳能帆板滚转轴平行状态，导致太阳能帆板碰撞到模块框架。

进一步的，所述执行机构中还包括俯仰运动限位机构，用于对太阳能帆板俯仰运动套管的俯仰运动角度范围进行约束，并能够在太阳能帆板俯仰运动套管的俯仰运动角度达到限位角度时，向所述控制器发出信号。

进一步的，所述太阳能帆板的宽度为立方星标准单元的单边尺寸，所述太阳能帆板的长度为N+1个立方星标准单元沿一个方向累加后的长度尺寸，其中N为能量单元所安装的立方星在长度方向上的立方标准单元个数。

进一步的，所述模块框架上设置有紧固装置，能够在太阳翼模块未展开状态时，将太阳能帆板固定于立方星侧表面，并与立方星侧表面完全贴合；且所述紧固装置能够在需要的时候将太阳翼模块释放。

进一步的，在模块框架上安装有顶部盖板、侧面盖板和底板；所述顶部盖板、侧面盖板表面安装隔热层；所述侧向盖板上开有沿立方星长度方向的通槽，提供执行机构的运动空间；所述底板上固定控制太阳能帆板二维旋转的控制器和执行机构。

有益效果

本发明的有益效果是：

(1)本发明太阳能帆板折叠后紧贴于立方星体侧表面，保证安装本模块后的星体仍属于标准尺寸，能够使用标准立方星弹射器发射，发射后再进行太阳翼展开并与转轴锁定，继而实现双自由度太阳追踪；

(2)本发明以太阳敏感器为闭环控制传感器，通过同轴的两路电动伺服装置操纵太阳能帆板在俯仰、滚转两个通道进行转动，改善太阳光相对于太阳能帆板的二维入射角度，提高光伏电池对太阳能的转化效率，增加相同太阳能帆板面积下的光伏产能；

(3)使用标准化的通信接口、电源接口和机械接口，实现多太阳翼模块的组合工作与功率容量扩展，仅改变帆板长度和不同立方星截面下的机构配置，本发明即可以独立模组的形式安装于各种标准尺寸的立方体卫星上，完成对不同构型立方体卫星的适配，实现星上能源模块通用化，简化立方星太阳能帆板及其驱动装置的设计验证。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为太阳翼模块折叠状态示意图

图中标号：1-顶部盖板；2-侧面盖板；3-太阳能帆板；4-绑线孔；5-太阳敏感器；6-模块框架

图2为太阳翼模块展开状态示意图

图中标号：3-太阳能帆板；5-太阳敏感器；6-模块框架；7-太阳能帆板俯仰运动套管支架；8-底板；9-太阳能帆板俯仰运动套管

图3为单路太阳能帆板对日定向单元组件

图中标号：3-太阳能帆板；5-太阳敏感器；7-1和7-2-太阳能帆板俯仰运动套管支架；9-太阳能帆板俯仰运动套管；10-1和10-2-限位开关；11-太阳能帆板滚转轴；12-滚转轴销孔；13-太阳翼锁定机构；14-俯仰通道伺服电机支架；15-俯仰通道伺服电机

图4为太阳能帆板滚转伺服机构

图中标号：9-太阳能帆板俯仰运动套管；11-太阳能帆板滚转轴；12-滚转轴销孔；16-滚转通道伺服电机；17-滚转轴联轴器；18-太阳能帆板滚转轴端盖；19-俯仰通道盖板固定孔；20-俯仰通道轴端盖板

图5为太阳能帆板展开机构

图中标号：3-太阳能帆板；9-太阳能帆板俯仰运动套管；11-太阳能帆板滚转轴；12-滚转轴销孔；13-1-太阳翼锁定机构限位套；13-2-太阳翼锁定机构锁卡；18-太阳能帆板滚转轴端盖；21-太阳翼展开扭簧；22-太阳翼展开铰链

图6为太阳能帆板展开过程转速关系图

ω₁-太阳能帆板的转动角速度；ω₂-俯仰轴的转动角速度；ω_s-展开锁止时太阳能帆板的末角速度；t_s-展开时间；t_d-俯仰轴转动延迟时间

图7为太阳翼模块安装于3U立方星(端面为1U)示意图

图8为四个太阳翼模块安装于12U立方星(端面为2×2＝4U)示意图

图9为太阳翼模块标准化配置方案示意图

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外、术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例提出了一种适用于不同构型标准立方星的双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元(简称太阳翼模块)，可提供模块化、标准化的快速配置和电能供给。根据不同的立方星端面构型，可以配置安装多个太阳翼模块共同工作，在操纵太阳能帆板从紧贴立方星外壁面的状态展开后，通过闭环驱动控制方式实现太阳能帆板对入射太阳光的二维随动跟踪，并根据太阳翼部署构型灵活剪裁太阳能帆板及其对日定向组件的数量。其具体实现方式如下：

1.太阳翼模块的结构组成与工作原理

太阳翼模块内部最多可同时安装4套太阳能帆板及其对日定向单元组件，每套太阳能帆板及其对日定向单元组件用于实现一片太阳能帆板的二维对日定向、太阳矢量追踪与光伏产能，结构组成和工作原理完全相同，各自独立工作。

(1)太阳翼模块结构组成

太阳翼模块外部结构参见图1，具有立方星的模块框架6，在模块框架6上安装有顶部盖板1、侧面盖板2和底板8。在顶部盖板1、侧面盖板2表面安装隔热层，确保太阳翼模块内部元器件正常工作。太阳翼模块未展开状态时，太阳能帆板3被紧固装置约束在立方星侧表面，确保太阳能帆板3紧贴于立方星星体侧表面，本实施例中紧固装置采用绑线孔4中穿过的绑扎线实现，绑线孔4位于模块框架6上，绑线孔4中穿过的绑扎线将太阳能帆板3固定于立方星侧表面，确保太阳能帆板3紧贴于立方星星体侧表面。太阳能帆板3紧贴于立方星星体侧表面时，内部关系如图5所示，当太阳翼模块需要展开时，通过熔断绑扎线使得太阳能帆板3在扭簧21的扭力作用下将太阳能帆板3下端向上转动伸展开，与此同时太阳能帆板俯仰运动套管9在俯仰通道伺服电机15的驱动下向下转动，最终太阳能帆板俯仰运动套管9轴线以及太阳能帆板3平面与底板8保持水平，如图2和图3所示。太阳能帆板俯仰运动套管9两端安装有太阳能帆板滚转轴端盖18和俯仰通道轴端盖板20，其中俯仰通道轴端盖板20内部设计有凹槽用于固定滚转通道伺服电机16，防止滚转通道伺服电机16随太阳能帆板滚转轴11共同转动；而太阳能帆板滚转轴端盖18侧面开有滚转轴销孔，与太阳能帆板滚转轴11通过销轴实现同轴固定连接，如图4所示。而太阳能帆板滚转轴端盖18与太阳能帆板3连接部通过太阳翼展开铰链22连接，太阳翼展开铰链22中安装有扭簧21，扭簧21处于预紧状态。

进一步的通过锁定机构13将太阳能帆板3与太阳能帆板滚转轴端盖18锁死，从而达到太阳翼模块的工作状态，如图3所示。锁定机构13由太阳翼锁定机构限位套13-1和太阳翼锁定机构锁卡13-2组成，太阳翼锁定机构限位套13-1固定安装在太阳能帆板滚转轴端盖18中安装有太阳翼展开铰链22的侧边边缘，太阳翼锁定机构锁卡13-2固定安装在太阳能帆板3连接部侧面，在扭簧21驱动太阳能帆板3连接部端面与太阳能帆板滚转轴端盖18接触到位后，太阳翼锁定机构锁卡13-2卡入太阳翼锁定机构限位套13-1中，并采用挂钩搭接锁死方式锁定，如图3所示。

太阳翼模块内部结构参见图2和图3，太阳能帆板俯仰运动套管支架7固定于底板8上，主要用于支撑太阳能帆板俯仰运动套管9的俯仰转动和在结构上限制太阳能帆板俯仰运动套管9的运动范围；俯仰通道伺服电机支架14固定于底板8上，主要用于固定俯仰通道伺服电机15，且需要确保俯仰通道伺服电机15的输出轴与太阳能帆板俯仰运动套管9的旋转轴同轴，使得俯仰通道伺服电机15能够带动太阳能帆板俯仰运动套管9进行俯仰方向的转动；底板8与模块框架6固连，因此太阳能帆板俯仰运动套管支架7和俯仰通道伺服电机支架14能够通过底板8与模块框架6相固连。如图4所示，太阳能帆板滚转轴11、滚转通道伺服电机16以及连接太阳能帆板滚转轴11与滚转通道伺服电机16的滚转轴联轴器17安装在太阳能帆板俯仰运动套管9的内部，太阳能帆板滚转轴11在滚转通道伺服电机16的驱动下带动太阳能帆板3做滚转运动。

(2)太阳翼模块二维对日定向工作原理

以其中1套太阳能帆板对日定向单元组件为示例，进行其具体工作原理的说明。

图3为单路太阳能帆板对日定向单元组件，其中太阳能帆板俯仰运动套管支架7-1、7-2和俯仰通道伺服电机支架14固定于底板8上，俯仰通道伺服电机15安装于俯仰通道伺服电机支架14上，带动太阳能帆板俯仰运动套管9做俯仰运动。俯仰通道伺服电机支架14上设置有太阳能帆板俯仰运动套管9的俯仰转动限位槽，限位槽的两端具有限位开关10-1和10-2。太阳能帆板俯仰运动套管9俯仰方向的转动极限位置确定依据为：根据太阳矢量追踪需求确定太阳能帆板俯仰运动套管9的最小调节范围，然后考虑太阳能帆板折叠展开过程和立方星框架结构尺寸约束情况确定太阳能帆板俯仰运动套管9最大限制转角范围，在两者之间尽可能实现较大的俯仰运动角度调节范围。为了适应不同轨道的立方星对日定向需求且提供尽可能长的对日定向时间，太阳能帆板3俯仰角的调节范围应越大越好，对于立方星常用的500km近似圆轨道而言，分析可知当俯仰角达到±50°时，就能够覆盖约70％的对日定向需求，保证在95％受照时间内实现对日定向。其次，由于标准化立方星弹射器对星体表面提出了无凸出器件的设计需求，因此在本模块机构设计时需要使太阳能帆板在收缩状态能够与星体表面完全贴合，此时俯仰运动套管9处于垂直向上状态(如图5所示)，则该方向星体框架结构限制的最大俯仰转角为90°，而另一方向的星体框架结构限制最大俯仰轴转角为56°。因此，结合光伏产能最大化需求和太阳翼模块框架的结构限制，本实施例中太阳能帆板俯仰运动套管支架7-1，7-2限位槽的两侧限位角度分别为+56°和-90°。

从图4可知，在太阳能帆板滚转伺服机构中，太阳能帆板滚转轴11、滚转轴联轴器17、滚转通道伺服电机16依次安装于太阳能帆板俯仰运动套管9内部，俯仰通道轴端盖板20安装于太阳能帆板俯仰运动套管9末端。俯仰通道轴端盖板20通过俯仰通道盖板固定孔19与太阳能帆板俯仰运动套管9固连，并且俯仰通道轴端盖板20内部设计有凹槽用于固定滚转通道伺服电机16，防止滚转通道伺服电机16随太阳能帆板滚转轴11共同转动。滚转通道工作时，由滚转通道伺服电机16提供动力驱动滚转轴联轴器17将扭矩传递到太阳能帆板滚转轴11上，太阳能帆板滚转轴11通过太阳能帆板滚转轴端盖18带动太阳能帆板3进行滚转运动。对于滚转通道而言，无最大滚转角限制，可在±180°范围内任意旋转。

结合图3和图4详细说明太阳能帆板双自由度追踪太阳矢量的闭环伺服过程如下：太阳敏感器5嵌入安装在太阳能帆板3长度方向末端，且太阳敏感器5受光照侧表面与太阳能帆板3上光伏电池表面处于同一平面，用于感知当前光伏电池的入射太阳光角度变化。太阳敏感器5作为控制闭环回路的主传感器，获取太阳入射角度作为闭环反馈信息，经控制器驱动俯仰通道伺服电机15和滚转通道伺服电机16不断调整太阳能帆板俯仰运动套管9和太阳能帆板滚转轴11的转动角度，使太阳能帆板3的法线方向始终指向太阳。当太阳能帆板俯仰运动套管9运动到机械结构的极限位置时会触碰限位开关10-1或10-2，向太阳翼模块控制器发出中断信号说明已经达到极限位置，进而使得俯仰通道执行机构锁定于此位置并适时复位。

(3)太阳能帆板展开过程及参数计算

图5太阳能帆板展开机构中给出了太阳能帆板3与太阳能帆板滚转轴11的连接方式。太阳能帆板滚转轴端盖18通过滚转轴销孔12将太阳能帆板滚转轴11与之固定，太阳能帆板滚转轴端盖18通过外侧的太阳翼展开铰链22与太阳能帆板3相连，太阳翼展开铰链22中间同轴安装有太阳翼展开扭簧21，太阳能帆板3解锁后利用扭簧21的弹簧力矩驱动太阳能帆板3展开。当太阳翼模块展开时，太阳能帆板3由图1位置运动至图2位置。展开过程中首先太阳能帆板3在太阳翼展开扭簧21的扭转力矩作用下绕太阳翼展开铰链22的旋转轴转动，接着太阳能帆板俯仰运动套管9在俯仰通道伺服电机15的驱动下，由初始垂直状态向模块外侧展开，最终太阳能帆板3翻转至其连接部端面与太阳能帆板滚转轴端盖18相接触，太阳翼锁定机构13以太阳翼锁定机构限位套13-1和太阳翼锁定机构锁卡13-2挂钩搭接锁死的形式，实现太阳能帆板3和太阳能帆板滚转轴端盖18的锁定限位，最后太阳能帆板俯仰运动套管9展开至与底板8平行，至此太阳能帆板3的展开动作全部完成。

展开过程中太阳能帆板3和太阳能帆板俯仰运动套管9组合运动的角速度关系如图6所示，展开过程中太阳能帆板向上展开运动和俯仰轴向下摆动的组合运动受到太阳能帆板3紧贴星体这一特殊结构带来的约束限制，起始时应使得太阳能帆板3以角速度ω₁先向上摆动展开，经延迟时间t_d后再操纵太阳能帆板俯仰运动套管9以角速度ω₂向下摆动，并且使得太阳能帆板与俯仰机构角速度关系满足ω₁≥ω₂，从而保证在太阳能帆板3展开过程中，不会碰撞到模块框架6的下沿。此外，还通过设计太阳翼展开扭簧21的参数，避免扭簧扭矩过大使得太阳能帆板展开角速度ω₁过高，造成太阳能帆板3在延迟时间t_d结束前即展开到与太阳能帆板滚转轴端盖18接触状态，从而碰撞到模块框架6的上沿。据此本部分结构参数设计按照如下步骤进行：

步骤(1)：根据太阳能帆板运动微分方程：

式中，k为扭簧弹性系数，θ为太阳能帆板3绕铰链转动角度，B为铰链常值阻尼系数，J_L为太阳能帆板3转动惯量。

代入θ＝e^rt，可以获得两个特征值

和

，并得到微分方程的通解：

已知太阳能帆板3展开过程中总共转过s₁＝180°，将设计好的预定展开时间t_s和θ＝180°代入通解式(1.2)，可获得扭簧弹性系数k和常数C₁、C₂。

步骤(2)：根据扭簧的弹性系数公式(1.3)设计太阳翼展开扭簧21的各项参数：

式中，E为扭簧的弹性模量，d为扭簧的线直径，n为扭簧圈数，D为扭簧中径。

步骤(3)：对式(1.2)求微分得到：

代入t_s，C₁，C₂，r₁，r₂得到展开末速度ω_s。

又可知太阳能帆板俯仰运动套管9转过的角度为s₂＝90°，可根据式(1.5)设计太阳能帆板3展开的延迟时间t_d

至此，获得了太阳能帆板展开扭簧21的参数d、n、D和太阳能帆板俯仰运动套管9的转动延迟时间t_d，通过以上设计结果，可以保证展开过程中太阳能帆板3和模块框架6上下沿均无碰撞发生，并实现所需的展开速度和展开时间。

2.太阳翼模块应用场合判断与构型配置

在针对不同构型的立方星进行本太阳翼模块搭建和安装时，应首先根据立方星的端部截面构型选取太阳翼模块及对日定向单元部组件，包括根据立方星的星体端面形状确定太阳翼模块数量、各模块安装太阳能帆板对日定向单元组件的数量和位置，据此进行太阳翼模块的构型设计和部组件安装。随后，根据星体的纵向方向长度配置适当长度的太阳能帆板3，并将太阳能帆板3通过太阳翼展开铰链22安装于对日定向组件的输出轴轴端(太阳能帆板滚转轴端盖18)。最后，太阳翼模块利用框架上的机械接口与立方星星体使用螺栓进行标准化连接，并进行电源接口和通讯接口的连接。太阳翼模块标准化配置方案示意图如图9所示。

参照图7和图8，分别为太阳翼模块安装于3U和12U立方星体的结构示意图。本太阳翼模块可以根据不同构型的立方星端面，组合安装于不同构型的立方星星体。图9中利用简图的形式直观展示了立方星星体与太阳翼模块配合的安装形式。多个太阳翼模块之间通过总线式通信接口进行信息交互，从而使得各太阳翼模块协同工作，实现对日二维定向和能量均衡输出。同时，通过立方星与太阳翼模块通讯接口的连接，立方星可通过通讯接口向太阳翼模块传输太阳位置信息、当前位置信息、运动信息等，使得立方星能够对太阳翼模块具有主动控制权，避免了多个太阳翼模块展开和转动时可能带来的遮挡问题和对姿态控制产生过大扰动的问题。此外，多个太阳翼模块的电源接口均与立方星体内部电源母线相连，为立方星输送电能，各太阳翼模块采用螺钉-螺孔配合的方式与立方星及相邻太阳翼模块相固连。

3.方案有益效果理论验证

对于本太阳翼模块，利用数学仿真方式进行了其在轨运行效果的理论仿真验证。选取具有代表性的500km圆轨道作为立方星轨道进行仿真，详细仿真参数如表1所示：

表1立方星在轨光伏产能仿真参数

	仿真参数
		轨道参数	a＝500km；e＝0；f＝0°；Ω＝30°；ω＝0°；T<sub>d</sub>＝3600s；T<sub>s</sub>＝2068s
立方星能量需求	P<sub>d</sub>＝50W；P<sub>s</sub>＝35W
		太阳能板参数	X<sub>s</sub>＝0.65；X<sub>d</sub>＝0.85；η＝28％；I<sub>d</sub>＝0.77；L<sub>d</sub>＝0.625
电池参数	C<sub>d</sub>＝0.2；V<sub>d</sub>＝8.5V；n＝0.9

其中，a为轨道长半轴，e为轨道偏心率，Ω为升交点赤经，ω为近地点角，f为真近地点角，T_d为每圈轨道光照时间，T_s为每圈轨道地影时间，P_d为光照区平均功耗，P_s为地影期平均功耗，X_s为帆板通过蓄电池到负载的供电效率，X_d为帆板直接到负载的供电效率，η为太阳能电池光电转化效率，I_d为电池阵组合损失因子，L_d为电池阵衰减因子，C_d为蓄电池最大放电深度，V_d为蓄电池母线电压，n为蓄电池到负载的传输效率。

将本发明和展开固定式太阳能帆板在一个轨道周期的光伏转化效能进行对比，可以得到如表2所示的仿真结果。分析可知，一个轨道周期内，在相同太阳能电池片面积情况下，本发明所提出技术方案的太阳光利用效率是展开固定式太阳能帆板的2.665倍。

表2太阳翼模块在轨仿真对比结果

本发明未做详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：根据立方星端面布局，选择一个或多个所述能量单元安装于立方星端面；

所述能量单元包括模块框架、太阳能帆板、控制太阳能帆板二维旋转的控制器和执行机构以及接口模块；

所述模块框架采用立方星标准1U框架；控制太阳能帆板二维旋转的控制器和执行机构以及接口模块安装在模块框架中；

根据立方星端面布局，在所述模块框架的一个或多个侧面布置有太阳能帆板；单个所述太阳能帆板的尺寸与N+1个立方星标准单元沿一个方向累加后的整体侧面尺寸匹配；所述太阳能帆板由各自对应的所述执行机构独立控制进行二维旋转，且太阳能帆板在展开前的起始状态时，与立方星侧表面完全贴合；所述太阳能帆板的光伏电池安装面上具有太阳敏感器，能够感知当前光伏电池的入射太阳光角度；根据当前光伏电池的入射太阳光角度，所述控制器能够控制执行机构驱动太阳能帆板二维旋转，使太阳能帆板光伏电池安装面的法线方向始终指向太阳；

所述接口模块包括通信接口、电源接口和机械接口；所述通信接口所述能量单元与立方星进行通信，所述电源接口能量单元向立方星传输光伏电池产生的电能，所述机械接口用于连接能量单元与立方星。

2.根据权利要求1所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：太阳能帆板二维旋转运动分为：太阳能帆板在长度方向一端进行的太阳能帆板展开俯仰运动，以及太阳能帆板整体绕长度方向的滚转运动。

3.根据权利要求2所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：所述执行机构包括俯仰通道驱动电机以及太阳能帆板俯仰运动套管；所述俯仰通道驱动电机的驱动轴平行于所述模块框架的底面以及该执行机构所对应的模块框架侧面；所述俯仰通道驱动电机能够驱动太阳能帆板俯仰运动套管绕俯仰通道驱动电机驱动轴转动，且太阳能帆板俯仰运动套管的长度方向与俯仰通道驱动电机驱动轴垂直；

所述太阳能帆板俯仰运动套管内沿套管长度方向安装有太阳能帆板滚转轴和滚转通道伺服电机；所述滚转通道伺服电机能够驱动太阳能帆板滚转轴绕自身轴线转动；

所述太阳能帆板滚转轴一端与太阳能帆板滚转轴端盖固定连接，并能够带动太阳能帆板滚转轴端盖同步转动；所述太阳能帆板滚转轴端盖边缘与所述太阳能帆板长度方向一端边缘通过转动部件连接，且所述转动部件的转轴平行于俯仰通道驱动电机驱动轴；所述转动部件上安装有弹性驱动机构，所述弹性驱动机构能够驱动太阳能帆板绕转动机构转轴进行太阳能帆板展开俯仰运动至太阳能帆板面与太阳能帆板滚转轴平行，且太阳能帆板面与太阳能帆板滚转轴平行后，太阳能帆板长度方向端部与太阳能帆板滚转轴端盖顶紧限位，保持太阳能帆板面与太阳能帆板滚转轴平行状态。

4.根据权利要求3所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：太阳能帆板展开过程中，太阳能帆板俯仰运动套管绕俯仰通道驱动电机驱动轴转动的时针方向，与太阳能帆板绕转动部件转轴转动的时针方向相反。

5.根据权利要求4所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：太阳能帆板展开过程中，起始时所述弹性驱动机构驱动太阳能帆板绕转动机构转轴以角速度ω₁转动，经延迟时间t_d后再控制太阳能帆板俯仰运动套管绕俯仰通道驱动电机驱动轴以角速度ω₂转动，且ω₁≥ω₂。

6.根据权利要求5所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：通过设计所述转动部件的参数，避免转动部件驱动力矩过大使得角速度ω₁过高，而造成太阳能帆板在延迟时间t_d结束前即展开到太阳能帆板面与太阳能帆板滚转轴平行状态，导致太阳能帆板碰撞到模块框架。

7.根据权利要求3所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：所述执行机构中还包括俯仰运动限位机构，用于对太阳能帆板俯仰运动套管的俯仰运动角度范围进行约束，并能够在太阳能帆板俯仰运动套管的俯仰运动角度达到限位角度时，向所述控制器发出信号。

8.根据权利要求1所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：所述太阳能帆板的宽度为立方星标准单元的单边尺寸，所述太阳能帆板的长度为N+1个立方星标准单元沿一个方向累加后的长度尺寸，其中N为能量单元所安装的立方星在长度方向上的立方标准单元个数。

9.根据权利要求1所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：所述模块框架上设置有紧固装置，能够在太阳翼模块未展开状态时，将太阳能帆板固定于立方星侧表面，并与立方星侧表面完全贴合；且所述紧固装置能够在需要的时候将太阳翼模块释放。

10.根据权利要求1所述一种双自由度对日定向太阳能帆板立方星模块化能量单元，其特征在于：在模块框架上安装有顶部盖板、侧面盖板和底板；所述顶部盖板、侧面盖板表面安装隔热层；所述侧向盖板上开有沿立方星长度方向的通槽，提供执行机构的运动空间；所述底板上固定控制太阳能帆板二维旋转的控制器和执行机构。

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