CN112238952B - 一种卫星太阳能电池帆板 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种卫星太阳能电池帆板，包括安装在卫星承力板上的具有收拢状态和展开状态的帆板本体、以及使收拢状态帆板本体展开的弹力展开机构，帆板本体包括M块顺次连接的子帆板，最底部的子帆板与承力板之间、以及子帆板与子帆板之间转动连接，收拢状态时，M块子帆板顺次堆叠在承力板上；帆板本体在收拢状态由外部压紧释放机构提供约束保持压紧，压紧释放机构动作释放压紧约束后，在弹力展开机构的作用下帆板本体可展开。本发明的帆板结构简单可靠、设计灵活，收拢状态包络小，可展开面积大，展开后可自主锁定；且依靠弹力展开机构自身蓄积的弹性势能实现帆板本体的展开，无电源或液压驱动件，能有效减少展开机构复杂度。
Description
技术领域
本发明属于航天卫星技术领域，具体涉及一种卫星太阳能电池帆板。
背景技术
卫星在太空中主要利用太阳能电池帆板为其提供能源，帆板面积越大可提供的能源越多。为尽量增加帆板面积且满足火箭的包络约束，一般将帆板设计为具有收拢状态和展开状态的结构。帆板在地面以及发射过程中处于收拢状态，发射入轨后再在太空中展开。
驱动帆板展开的展开机构是核心部分，展开机构的可靠性直接影响卫星整星的性能。按照驱动方式不同，展开机构可分为微电机驱动、液压或气压驱动。微电机驱动平稳可控，但消耗电力资源，驱动系统复杂，液压、气压驱动承载能力强但需另设贮箱，但上述两种驱动方式均不适用于微小卫星的帆板的展开。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是提供一种依靠自身结构实现展开锁定功能的卫星太阳能电池帆板。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种卫星太阳能电池帆板，包括安装在卫星承力板上的具有收拢状态和展开状态的帆板本体、以及使收拢状态帆板本体展开的弹力展开机构，帆板本体包括M块顺次连接的子帆板，M为大于等于2的整数，最底部的子帆板与承力板之间、以及子帆板与子帆板之间转动连接，收拢状态时，M块子帆板顺次堆叠在承力板上；
帆板本体在收拢状态由外部压紧释放机构提供约束保持压紧，压紧释放机构动作释放压紧约束后，在弹力展开机构的作用下帆板本体可展开。
上述技术方案中，通过设置弹力展开机构，依靠弹力展开机构自身蓄积的弹性势能实现帆板本体的展开，无电源或液压驱动件，能有效减少展开机构复杂度，尤其适用于微小卫星。
在本发明的一种优选实施方式中，弹力展开机构包括N根顺次连接的承力杆，N为大于等于2的整数，相邻两根承力杆之间通过弹性铰链转动连接，最底部的承力杆的自由端与承力板铰接，末端的承力杆的自由端与末端的子帆板铰接。
上述技术方案中，收拢状态时，弹性铰链蓄能，外部压紧释放机构动作释放压紧约束后，在弹性铰链的弹性力作用下帆板本体展开。弹性铰链既作为结构件连接相邻两根承力杆，又作为功能件为帆板本体的展开提供动力，充分利用空间。
在本发明的一种优选实施方式中，N为大于等于M的整数。由此在地面收拢帆板本体时无需人工辅助。
在本发明的一种优选实施方式中，相邻两块子帆板之间可180°对折，和/或相邻两根承力杆之间可180°对折。由此使得帆板本体和弹力展开机构收拢状态包络小，帆板本体展开面积大。
在本发明的一种优选实施方式中，在收拢状态时，N根承力杆呈两列排列。缩小收拢状态时弹力展开机构的高度，减小卫星发射包络约束空间。
在本发明的另一种优选实施方式中，N根承力杆两两构成一组承力杆组，每组承力杆组的两根承力杆为上下堆叠的结构，相邻两组承力杆组为平行堆叠的结构。
在本发明的另一种优选实施方式中，相邻两根承力杆之间均具有对展开状态进行锁定的锁定结构。设置锁定结构后，在展开状态，弹力展开机构的弹性势能未释放完全时，由锁定机构限制承力杆的继续转动，使帆板本体保持稳定的展开状态，以进一步提高可靠性。
在本发明的另一种优选实施方式中，锁定结构包括分别设在相邻两根承力杆上的两块相抵块，弹性铰链设在两块相抵块上并将两块相抵块连接在一起，在展开状态时，两块相抵块的端面抵紧完成锁定；
和/或锁定结构包括设在相邻两根承力杆的其中一根承力杆端部的限位挡块，在展开状态时，相邻两根承力杆的另一根承力杆端部的侧面与限位挡块侧面抵紧完成锁定。
上述技术方案中，通过设置相抵块、限位挡块实现展开状态相邻两承力杆的锁定功能，从结构上保证展开状态的锁定而不需要其他活动机构，结构简单且可靠。
在本发明的另一种优选实施方式中，弹力展开机构的数量为两套，两套弹力展开机构位于帆板本体的同一侧面且对称的设在帆板本体对称轴的两侧。使帆板本体和弹力展开机构的受力更平衡，利于该太阳能电池帆板的展开和收拢。
在本发明的另一种优选实施方式中，最底部的子帆板与承力板之间、以及子帆板与子帆板之间通过合页转动连接。合页成本低，连接可靠。
相比现有技术，本发明的有益效果如下：
1)本发明的帆板展开前满足卫星对弹力展开机构的发射包络约束且空间占用较少，可展开面积大，展开后可自主锁定，展开后满足整星对帆板面积的需求；且依靠弹力展开机构自身蓄积的弹性势能实现帆板本体的展开，无电源或液压驱动件，能有效减少展开机构复杂度，尤其适用于微小卫星。
2)本发明的帆板设计灵活、适应性强，可根据卫星对帆板面积的需求，改变子帆板的数量。
3)弹力展开机构结构简单、收拢状态体积小、质量轻且可靠，能有效降低弹力展开机构的复杂度与重量，满足小型卫星对展开机构的质量约束。
4)弹力展开机构在帆板本体展开前后为帆板本体提供约束或支撑，保证在地面以及发射过程中帆板的稳定与锁紧，入轨后能够在空间顺利展开并完成锁定。
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是实施例的一种卫星太阳能电池帆板处于收拢状态的结构示意图。
图2是实施例的一种卫星太阳能电池帆板处于展开状态的结构示意图。
图3是实施例中的弹性展开机构处于收拢状态的结构示意图。
图4是实施例中的锁弹性铰链处于蓄能状态的结构示意图。
图5是实施例中的一组承力杆组中的两根承力杆的收拢状态图。
图6是实施例中的一组承力杆组中的两根承力杆的展开状态图。
图7是实施例中的相邻两组承力杆组的收拢状态图。
图8是实施例中的相邻两组承力杆组的展开状态图。
说明书附图中的附图标记包括：承力板10、帆板本体20、子帆板21、合页22、弹力展开机构30、承力杆31、承力杆组301、弹性铰链32、叶片321、转轴322、扭簧323、锁定结构33、相抵块331、外端面3311、限位挡块332。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，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，仅用于解释本发明，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“纵向”、“横向”、“竖向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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。
在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
本发明提供了一种卫星太阳能电池帆板，如图1和图2所示，在本发明的一种优选实施方式中，其包括安装在卫星承力板10上的具有收拢状态和展开状态的帆板本体20、以及使收拢状态帆板本体20展开的弹力展开机构30。其中，帆板本体20包括M块顺次连接的子帆板21，M为大于等于2的整数，本实施例以设置六块子帆板21为例进行说明，最底部的子帆板21与承力板10之间、以及子帆板21与子帆板21之间通过刚性的合页22转动连接，如图1所示，收拢状态时，M块子帆板21顺次堆叠在承力板10上，优选合页22与承力板10和子帆板21采用螺钉+胶结方式固定连接。
在本实施方式中，优选弹力展开机构30的数量为两套，帆板本体20处于收拢状态和展开状态时，两套弹力展开机构30位于帆板本体20的同一侧面且对称的设在帆板本体对称轴的两侧。
本发明的太阳能电池帆板在地面以及发射过程中处于收拢状态，帆板本体20在收拢状态由外部压紧释放机构(图中未示出)提供约束保持压紧，弹力展开机构30蓄积能弹性势能；发射入轨后，压紧释放机构动作释放压紧约束后，在弹力展开机构30的弹性力作用下帆板本体20展开。优选相邻两块子帆板21之间可180°对折，使帆板本体20可180°展开，展开面积大。
具体地，如图3所示，弹力展开机构30包括N根顺次连接的承力杆31，N为大于等于2的整数，比如承力杆31的数量为两根、三根、四根及以上，实际中应根据收拢状态弹力展开机构30的体积大小、操作灵活度选择合适数量的承力杆31。相邻两根承力杆31之间通过弹性铰链32转动连接，结合图2所示，最底部的承力杆31的自由端(其下端)与承力板10铰接，末端的承力杆31的自由端(其上端)与末端的子帆板21铰接。在本实施方式中，相邻两根承力杆31之间可180°对折，收拢状态时，所有承力杆31堆叠压紧。
需要说明的是，当一套弹力展开机构30的承力杆31的数量小于子帆板21的数量时，在地面收拢帆板本体20时，可由人手辅助进行收拢。
在本实施方式中，优选N为大于等于M的整数，如图2所示，比如本实施例中设置六块子帆板21，优选一套弹力展开机构30设置八根承力杆31，收拢帆板本体20时无需人工辅助，能够灵活收拢。
如图4-图8所示，在本实施方式中，弹性铰链32包括两块并排设置的叶片321，两块叶片321通过转轴322转动连接，转轴322上连接有扭簧323，弹性铰链32为现有结构，在此不详述。两块叶片321通过螺钉+胶粘接的方式分别与相邻两根承力杆31固定连接，将相邻两根承力杆31连接在一起并能够相对转动。
如图3所示，在另一种优选的实施方式中，在收拢状态时，每套弹力展开结构的八根承力杆31呈两列排列，比如八根承力杆31两两构成一组承力杆组301，共四组承力杆组301。结合图5和图6所示，每组承力杆组301的两根承力杆31为上下堆叠的结构，结合图7和图8所示，相邻两组承力杆组301为平行堆叠的结构。
在另一种优选的实施方式中，相邻两根承力杆31之间均具有对展开状态进行锁定的锁定结构33。
其中，如图5和图6所示，每组承力杆组301的两根承力杆31间的锁定结构33包括分别设在相邻两根承力杆31上的两块相抵块331，相抵块331与承力杆31一体成型或分体设置后固接在一起，弹性铰链32的两块叶片321分别与两块相抵块331固定连接，将相邻两根承力杆31连接在一起。收拢状态时，两块叶片321夹设在两块相抵块331之间；展开状态时，相邻两根承力杆31相对旋转180°，两块相抵块331的外端面3311对齐并抵紧完成锁定，在扭簧323的作用下保证承力杆31和帆板展开角度为180°。
其中，如图7和图8所示，相邻两组承力杆组301间的锁定结构33包括固设在其中一组承力杆组的一根承力杆31端部外侧的限位挡块332，比如限位挡块332与后侧的承力杆31固接。收拢状态时，限位挡块332位于两根承力杆31外侧；展开状态时，相邻两根承力杆31相对旋转180°，外侧承力杆31转动至限位挡块332上且其端部侧面上的叶片321与限位挡块332侧面抵紧完成锁定，在扭簧323的作用下保证承力杆31和帆板展开角度为180°。
需要说明的是，实际中，也可将设置相抵块331的锁定结构33设在相邻两组承力杆组301间，将设置限位挡块332的锁定结构33设在每组承力杆组301的两根承力杆31间。
在地面以及发射过程中，本发明的帆板本体20和弹力展开机构30在外部压紧释放机构的约束下处于收拢状态，进入轨道后压紧释放机构在帆板展开指令下触发(由控制器控制，不是本发明的创新点，不做叙述)，释放压紧约束。帆板本体20和两套弹力展开机构30失去约束后，开始在弹性铰链32的作用下同步展开，第一块子帆板在弹性展开机构驱动下绕合页22转动，同时随弹力展开机构30运动，直至与承力杆31平行；第二块子帆板在第一块子帆板的带动下开始运动，在完全展开后带动第三块子帆板运动，如此顺次展开，直至所有承力杆31全部旋转至锁定位置，帆板本体20处于完全展开状态，整个太阳能电池帆板完成锁定。
本发明的所有子帆板21在收拢状态沿展开方向堆叠压紧，释放后向卫星一侧展开，通过弹力展开机构30产生的弹性力即可完成所有子帆板21的展开动作，释放约束后所有承力杆31同时向展开方向运动，弹力展开机构30与子帆板21间的展开运动不会发生干涉。
实际中，可根据卫星对太阳能电池帆板面积的需求，帆板本体20通过改变子帆板21数量而不改变子帆板21结构即可满足要求，弹力展开机构30通过改变承力杆31的几何尺寸和扭簧323参数即可满足要求，设计灵活、适应性强。
在本说明书的描述中，参考术语“优选的实施方式”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种卫星太阳能电池帆板，其特征在于，包括安装在卫星承力板上的具有收拢状态和展开状态的帆板本体、以及使收拢状态帆板本体展开的弹力展开机构，所述帆板本体包括M块顺次连接的子帆板，M为大于等于2的整数，最底部的子帆板与承力板之间、以及子帆板与子帆板之间转动连接，收拢状态时，M块子帆板顺次堆叠在承力板上；
帆板本体在收拢状态由外部压紧释放机构提供约束保持压紧，压紧释放机构动作释放压紧约束后，在所述弹力展开机构的作用下帆板本体可展开；
所述弹力展开机构包括N根顺次连接的承力杆，N为大于等于2的整数，相邻两根承力杆之间通过弹性铰链转动连接，最底部的承力杆的自由端与承力板铰接，末端的承力杆的自由端与末端的子帆板铰接；
相邻两块子帆板之间可180°对折，和/或相邻两根承力杆之间可180°对折；
N根承力杆两两构成一组承力杆组，每组承力杆组的两根承力杆为上下堆叠的结构，相邻两组承力杆组为平行堆叠的结构。
2.如权利要求1所述的一种卫星太阳能电池帆板，其特征在于，所述N为大于等于M的整数。
3.如权利要求1所述的一种卫星太阳能电池帆板，其特征在于，在所述收拢状态时，N根承力杆呈两列排列。
4.如权利要求1-3中任一项所述的一种卫星太阳能电池帆板，其特征在于，相邻两根承力杆之间均具有对展开状态进行锁定的锁定结构。
5.如权利要求4所述的一种卫星太阳能电池帆板，其特征在于，所述锁定结构包括分别设在相邻两根承力杆上的两块相抵块，所述弹性铰链设在两块相抵块上并将两块相抵块连接在一起，在所述展开状态时，两块相抵块的端面抵紧完成锁定；
和/或所述锁定结构包括设在相邻两根承力杆的其中一根承力杆端部的限位挡块，在所述展开状态时，相邻两根承力杆的另一根承力杆端部的侧面与限位挡块侧面抵紧完成锁定。
6.如权利要求1-3中任一项所述的一种卫星太阳能电池帆板，其特征在于，所述弹力展开机构的数量为两套，两套弹力展开机构位于帆板本体的同一侧面且对称的设在帆板本体对称轴的两侧。
7.如权利要求1-3中任一项所述的一种卫星太阳能电池帆板，其特征在于，所述最底部的子帆板与承力板之间、以及子帆板与子帆板之间通过合页转动连接。
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