CN113800008B - 一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，包括充气薄膜太阳能聚束器、试验罐、充气控制系统和锁紧释放系统等。充气薄膜太阳能聚束器包括圆柱状气囊、旋转抛物面薄膜等。锁紧释放系统将充气薄膜太阳能聚束器从卫星平台的储存空腔内释放出来。充气控制系统用于分别给充气薄膜太阳能聚束器的两个气腔充气以精确控制气囊的展开过程。试验罐位于充气薄膜太阳能聚束器的焦点及附近位置。该可展开式太阳能聚束器系统刚度大、质量轻、造价低、可回收利用、可靠性好，可以大幅提高太阳直射辐射能流密度，有望搭载在卫星和小型航天器上用于太阳能热推进器。
Description
技术领域
本发明涉及空间能源和推进技术，尤其涉及一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器。
背景技术
可展开式太阳能聚束器是一类新型的空间能源和推进技术，其主要功能可以分为两个方向：
1)将大面积上接受的太阳直射辐照能(平行光)进行聚集，产生高密度的辐射能(具有一定立体角的光锥)，以增大能流密度、提高可利用性。例如，通常地球近地轨道的太阳能流密度为1350W/m2，地面一般小于1000W/m2，能流很低，做功能力差，实用性不强；如聚集1000倍后能流密度可达1MW/m2以上，做功能力将大幅提高，而且可展开式太阳能聚束器具有刚度大、质量轻、可靠性好等优点；
2)可展开式太阳能聚束器可以搭载到卫星和小型航天器上，可以用于太阳能热推进器，即直接利用汇聚的太阳能引发并驱动航天器的设备，不需要像传统的航天器那样携带足够多的燃料。它可满足太空多次重复使用及星际飞行的需要，适用于航天器在空间中完成改变轨道和调整姿态等任务和动作。而且可展开式太阳能聚束器造价低，可以重复使用，是一项重要的空间能源技术。
在各种聚光器中，旋转抛物面型聚光器具有聚光比大、最高运行温度高的优点和最好的聚光性能，理想的抛物面型聚光器聚光比最高，理想情况下直径为10m的抛物面型的聚束器，汇聚后的光斑直径可以达到1mm。空间作业时，航天器可能会需要高温热源做功，鉴于优良的旋转抛物面型聚光器聚光能力，是目前国际上非常实用的太阳能热推进聚光器。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，具有聚光比大、最高运行温度高的优点。
本发明采用的技术方案如下：一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，包括充气薄膜太阳能聚束器、试验罐、卫星平台、充气控制系统和锁紧释放系统；所述试验罐置于卫星平台上；所述充气控制系统与充气薄膜太阳能聚束器连接；所述锁紧释放系统与充气薄膜太阳能聚束器连接；所述充气薄膜太阳能聚束器、充气控制系统和锁紧释放系统置于卫星平台的储存空腔内；所述锁紧释放系统包括顶板、两根折叠杆、约束包带和热刀装置；所述顶板与两根折叠杆连接；所述热刀装置与约束包带连接，所述约束包带包裹两根折叠杆；所述太阳能聚束器包括圆柱状气囊和旋转抛物面薄膜，所述旋转抛物面薄膜将圆柱状气囊分隔为左侧气腔和右侧气腔；所述旋转抛物面薄膜的形状为离轴旋转抛物面，由圆柱面裁切原始旋转抛物面获得，具有一定的光轴偏距；所述旋转抛物面薄膜由多片层合薄膜拼接而成，其边缘固定在圆柱状气囊的内壁；所述圆柱状气囊的底面与锁紧释放系统的顶板连接；所述充气控制系统包括气源、比例阀、充气气路；所述气源经过比例阀通过充气气路与充气薄膜太阳能聚束器连接。
进一步地，所述旋转抛物面薄膜优选柔性层合薄膜，所述柔性层合薄膜以聚酰亚胺为基底材料，以铝膜为反射材料镀于聚酰亚胺上，在铝膜上表面还镀有增反膜。
进一步地，所述圆柱状气囊为透光的薄膜，其两个气腔的设计气压不同，左侧气腔的气压大于右侧气腔的气压，使得离轴旋转抛物面薄膜形成正高斯曲率的曲面。
进一步地，所述的星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，试验罐为玻璃器皿，设置于充气薄膜太阳能聚束器的焦点及附近位置；通过控制卫星平台的姿态，使得卫星平台、充气薄膜太阳能聚束器和试验罐同时发生较小的转动；当入射太阳光与离轴旋转抛物面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到焦点，加热位于焦点的试验罐；当入射太阳光与离轴旋转抛物面轴线不再平行，焦点会移动一定的距离，将太阳能聚集到两侧的试验罐，从而可将各个试验罐依次加热。
进一步地，所述热刀装置包括导线、热刀和热刀支座，所述热刀放置在热刀支座上，所述热刀的一端与导线连接。
进一步地，所述折叠杆优选三折杆结构，所述折叠杆包括扭簧，所述扭簧的一端与杆件接头连接，所述扭簧的另一端与双向节点限位底板连接，所述双向节点限位底板内固定有销轴。
进一步地，卫星发射前，充气薄膜太阳能聚束器被折叠后包装在卫星平台的储存空腔内；当卫星平台入轨并建立稳定姿态后，储存空腔的上盖板打开，锁紧释放系统开始工作，将充气薄膜太阳能聚束器释放出来，然后利用充气控制系统对太阳能聚束器充气，最终太阳能聚束器展开至工作状态。
本发明的有益效果为：本发明公开的一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器的刚度大、质量轻、造价低、可回收利用、可靠性好，可以大幅提高太阳直射辐射能流密度，有望搭载在卫星和小型航天器上用于太阳能热推进器。
附图说明
图1旋转抛物面示意图；
图2星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器总体方案示意图；
图3卫星平台和试验罐总体布局示意图；
图4太阳能聚束器结构示意图；
图5旋转抛物面光轴偏离图；
图6太阳光垂直入射时光学仿真建模图；
图7卫星平台绕Z轴旋转1°时光学仿真建模图；
图8顶板与折叠杆示意图；
图9热刀装置示意图；
图10折叠杆和扭簧节点示意图；
图11充气控制系统示意图；
图中，1、接收器；2、聚光器；3、试验罐；4、卫星平台；5、充气薄膜太阳能聚束器；6、储存空腔；7、左侧气腔；8、右侧气腔；9、旋转抛物面薄膜；10、圆柱状气囊；11、顶板；12、折叠杆；13、导线；14、热刀；15、螺纹孔；16、通孔；17、热刀支座；18、杆件接头；19、扭簧；20、销轴；21、双向节点限位底板；22、充气气路；23、气源；24、比例阀；
具体实施方式
下面结合附图对本发明的原理和技术方案做进一步的说明解释。
在各种聚光器中，理想的抛物面型聚光器和旋转抛物面型聚光器具有聚光比大、最高运行温度高的优点。由抛物线沿轴线旋转形成的面称为旋转抛物面，在凹面覆上反光层构成抛物面聚束器，旋转抛物面聚束器的聚光比非常高，约500至3000，最高聚热温度500℃～3000℃。根据光学原理，与抛物镜面轴线平行的光会聚到焦点上，焦点在镜面的轴线上，把接收器安装在反射镜的焦点上，当太阳光与镜面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到接收器，如图1为旋转抛物面聚束器的工作原理图，由旋转抛物面构成的聚光器2与安装在焦点上的点状接收器1组成。
拟采用充气薄膜技术，本发明公开了一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，包括充气薄膜太阳能聚束器5、充气控制系统、锁紧释放系统、试验罐3和卫星平台4等，如图2所述。所述试验罐3优选为玻璃器皿，所述试验罐3置于卫星平台4上，试验罐3的具体位置由充气薄膜太阳能聚束器5的焦点决定，试验罐3内可以存放水或者仿陨石材料。
卫星发射入轨前，充气薄膜太阳能聚束器5、充气控制系统和锁紧释放系统包络在卫星平台4的储存空腔6内，如图3所述。储存空腔6的尺寸主要由充气薄膜太阳能聚束器5的折叠包络体积决定。卫星平台入轨并建立姿态后，储存空腔6的上盖板打开，锁紧释放系统工作将充气薄膜太阳能聚束器5释放出来，然后利用充气控制系统对太阳能聚束器充气展开，形成工作状态。工作状态中，充气薄膜太阳能聚束器5的最下端固定在锁紧释放系统的顶板11上，而锁紧释放系统固定在卫星平台4的储存空腔6的底板上，故充气薄膜太阳能聚束器5和卫星平台4之间有了刚度较大的连接。
充气薄膜太阳能聚束器5包括圆柱状气囊10、旋转抛物面薄膜9，如图4所示。所述旋转抛物面薄膜9的形状为正高斯曲率的离轴旋转抛物面，旋转抛物面薄膜9由多片薄膜拼接而成，由圆柱面裁切原始旋转抛物面获得，具有一定的光轴偏距，旋转抛物面薄膜9的边缘固定在圆柱状气囊10内部。所述原始旋转抛物面薄膜9的口径为2m，焦距设计为0.6m，方程为x2+z2＝2fy f＝1.2。旋转抛物面薄膜9由直径为1m的圆柱面裁切原始旋转抛物面获得，光轴偏离距离为0.5m，方程为如图5所示。
所述旋转抛物面薄膜9的材料为优选柔性层合薄膜，工作面为柔性层合薄膜的内表面，工作面的底部涂有为厚度0.5mm的聚酰亚胺。以铝膜为反射膜镀于聚酰亚胺上，铝膜的厚度为10μm，铝膜成型性能好，在可见光的各系列光谱中反射率较高。为了提高反射率，在铝膜的上表面镀一层厚度为120nm的增反膜。
所述圆柱状气囊10由透光的薄膜研制而成，圆柱状气囊10的底面固定在锁紧释放系统的顶板11上。旋转抛物面薄膜9将圆柱状气囊10分隔为左侧气腔7和右侧气腔8，两个气腔的设计气压不同，左侧气腔7的气压大于右侧气腔8的气压，使得旋转抛物面薄膜9形成正高斯曲率的离轴旋转抛物面。
充气薄膜太阳能聚束器5被折叠放置在卫星平台4的储存空腔6中。当到达预定轨道后，充气薄膜太阳能聚束器5被释放出来，然后通过充气控制系统充气成型。通过控制卫星平台4的姿态，使得卫星平台4、旋转抛物面薄膜9和试验罐3同时发生一定的转动。当入射太阳光与离轴旋转抛物面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到焦点，加热位于焦点的试验罐。当入射太阳光与离轴旋转抛物面轴线不再平行，焦点会移动一定的距离，将太阳能聚集到两侧的试验罐，从而可将各个试验罐依次加热。
基于几何光学，进行太阳能聚束器聚光能力分析。当太阳光垂直入射时，光学图如图6所示，仿真得到的光斑尺寸小于10mm×10mm，能流密度为22MW/m2。卫星平台绕Z轴旋转1°，光学图如图7所示，仿真得到的光斑尺寸小于10mm×20mm，能流密度为4.16MW/m2。
综合仿真结果，如下表1所示：
表1聚光能力分析结果
锁紧释放系统的主要功能就是将充气薄膜太阳能聚束器5固定在卫星平台4上，并能将它从卫星平台4的存储内腔6中释放出来，主要由顶板11、两根折叠杆12、约束包带和热刀装置；所述顶板11与两根折叠杆12连接，如图8所示；所述热刀装置与约束包带连接，所述约束包带包裹两根折叠杆12。所述热刀装置包括热刀14，所述热刀14放置在热刀支座17上，所述热刀14的一端与导线13连接，如图9所示。当接收到释放指令后，热刀装置通电开始加热，将约束包带割断，进而释放折叠杆12。所述折叠杆12为三折杆结构，折叠杆12的三等分点处设计有扭簧19和双向节点限位底板21。，所述与扭簧19的一端与杆件接头18连接，所述扭簧19的另一端与双向节点限位底板21连接，所述双向节点限位底板21内固定有销轴20。扭簧12释放弹性势能，驱动折叠杆12展开。当折叠杆12完全打开后，双向节点限位底板21将运动副锁定。如图10所示。所述热刀装置包括热刀14，所述热刀14放置在热刀支座17上，所述热刀14的一端与导线13连接。所述热刀装置通过通孔17固定在储存空腔6的内壁上，所述热刀装置通过螺纹孔15与折叠杆12紧定。
所述充气控制系统包括气源23、比例阀24、充气气路22；所述气源23经过比例阀24通过充气气路22与充气薄膜太阳能聚束器5连接，如图11所示。所述充气控制系统的气源23为氦气或氮气。所述充气控制系统发出模拟电压，经过电压放大器驱动比例阀24。所述比例阀24用过两路充气气路22分别向左侧气腔7和右侧气腔8充气，充气至充气薄膜太阳能聚束器5展开至工作状态，两个气腔的设计气压不同，左侧气腔7的气压大于右侧气腔8的气压。
圆柱状气囊10不可避免地会发生气体泄漏，而且左右两个气室的气压也需要精确控制.在充气薄膜太阳能聚束器5充气展开过程中，通过比例阀24控制充气气体流速，进而控制充气展开过程。在充气薄膜太阳能聚束器5工作阶段，当气腔内的气压低于设计气压时，气压传感器会实时监控气压并向MCU实时反馈，MCU随即向比例阀24发出指令，对气腔进行补气。
Claims (5)
1.一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，其特征在于，包括充气薄膜太阳能聚束器（5）、试验罐（3）、卫星平台（4）、充气控制系统和锁紧释放系统；所述试验罐（3）置于卫星平台（4）上，且位于充气薄膜太阳能聚束器（5）的焦点或其附近位置；所述充气控制系统与充气薄膜太阳能聚束器（5）连接；所述锁紧释放系统与充气薄膜太阳能聚束器（5）连接；所述充气薄膜太阳能聚束器（5）、充气控制系统和锁紧释放系统置于卫星平台（4）的储存空腔（6）内；所述锁紧释放系统包括顶板（11）、两根折叠杆（12）、约束包带和热刀装置；所述顶板（11）与两根折叠杆（12）连接；所述热刀装置与约束包带连接，所述约束包带包裹两根折叠杆（12）；所述充气薄膜太阳能聚束器（5）包括圆柱状气囊（10）和旋转抛物面薄膜（9），所述圆柱状气囊（10）为透光的薄膜，所述旋转抛物面薄膜（9）将圆柱状气囊（10）分隔为左侧气腔（7）和右侧气腔（8）,所述左侧气腔（7）的气压大于右侧气腔（8）的气压，使得旋转抛物面薄膜（9）的形状为离轴旋转抛物面，具有一定的光轴偏距；所述旋转抛物面薄膜（9）采用柔性层合薄膜，所述柔性层合薄膜以聚酰亚胺为基底材料，以铝膜为反射材料镀于聚酰亚胺上，在铝膜上表面还镀有增反膜；所述旋转抛物面薄膜（9）由多片层合薄膜拼接而成，其边缘固定在圆柱状气囊（10）的内壁；所述圆柱状气囊（10）的底面与锁紧释放系统的顶板（11）连接；所述充气控制系统包括气源（23）、比例阀（24）、充气气路（22）；所述气源（23）经过比例阀（24）通过充气气路（22）与充气薄膜太阳能聚束器（5）连接。
2.根据权利要求1所述的星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，其特征在于，所述热刀装置包括导线（13）、热刀（14）和热刀支座（17），所述热刀（14）放置在热刀支座（17）上，所述热刀（14）的一端与导线（13）连接。
3.根据权利要求1所述的星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，其特征在于，所述折叠杆（12）采用三折杆结构，所述折叠杆（12）包括扭簧（19），所述扭簧（19）的一端与杆件接头（18）连接，所述扭簧（19）的另一端与双向节点限位底板（21）连接，所述双向节点限位底板（21）内固定有销轴（20）。
4.根据权利要求1所述的星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，其特征在于，发射前，充气薄膜太阳能聚束器（5）被折叠后包装在卫星平台（4）的储存空腔（6）内；当卫星平台（4）入轨并建立稳定姿态后，储存空腔（6）的上盖板打开，锁紧释放系统开始工作，将充气薄膜太阳能聚束器（5）释放出来，然后利用充气控制系统对太阳能聚束器（5）充气，最终太阳能聚束器（5）展开至工作状态。
5.根据权利要求1所述的星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，其特征在于，所述的试验罐（3）为玻璃器皿。
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