CN117713660A - 一种双模态变结构空间折展太阳电池阵系统 - Google Patents

一种双模态变结构空间折展太阳电池阵系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，包括柔性折展太阳电池阵和折展支撑机构，折展支撑机构安装在太阳电池阵的下方，折展支撑机构用于驱动太阳电池阵在折叠状态和展开状态之间转换；其中太阳电池阵采用单蜂巢折展构型，通过若干折痕划分为一个位于中心的正六边形单元、若干矩形单元和三角形单元，通过矩形单元和三角形单元的折叠，实现太阳电池阵从平面的展开状态到三维的折叠状态之间的转换；折展支撑机构包括中心轮毂、第一折叠组件、第二折叠组件和驱动装置，驱动装置用于驱动第一折叠组件和第二折叠组件运动实现太阳电池阵在折叠状态和展开状态之间的转换；能够极大程度提高太阳电池阵折展比和空间利用率。

Description

一种双模态变结构空间折展太阳电池阵系统
技术领域
本发明涉及航空航天技术领域，尤其是一种双模态变结构空间折展太阳电池阵系统。
背景技术
起源于中国的折纸艺术是一种使用纸张进行折叠造型从而制作物品的传统手工艺，由于折纸可以实现二维与三维结构之间形态的高效转化，其被广泛应用于空间可展机构。而航天器太阳电池阵作为在轨航天器主要能源装置，其折展比能决定航天器的任务执行能力，但是受限于航天器本体结构或者运载火箭舱室体积、运载能力等因素，现有航天器太阳电池阵折展比较小，难以适应多载荷的功率要求。
现有的大折展比太阳电池阵存在以下不足：
（1）中国专利CN114906350A提出的基于单自由度大折展比折展机构的太阳能帆板是基于刚性厚板折叠进行研究，而刚性折叠式太阳能电池阵难以满足多载荷的功率需求，其结构质量大、发电效率低、比功率低，性能远远落后于柔性太阳能电池阵；
（2）左锡远提出的单顶点多折痕的折纸太阳翼一方面使用的刚性基板性能不如柔性太阳能电池阵，另一方面其折展支撑机构设计不够紧凑，折叠状态空间利用率低，参见文献“左锡远. 基于折纸机构的太阳翼设计及其折展运动分析，哈尔滨工业大学,2020.DOI:10.27061/d.cnki.ghgdu.2020.001085.”；
（3）中国专利CN103595339A提出的一种新型柔性太阳电池阵展开装置为了提高折展比使用了较为复杂的同步伸展机构与中央驱动机构，难以保证工程可靠性，其柔性太阳电池阵的折展原理常规，创新性差，难以发挥柔性太阳电池阵的材料特性；
（4）美国MegaFlex系列太阳电池阵结构复杂度高，且折叠状态的太阳电池阵无法受光，不能全时段工作，参见文献“Murphy D M, Eskenazi M I, McEachen M E, et al.UltraFlex and MegaFlex-Development of highly scalable solar power[C]//2015IEEE 42nd Photovoltaic Specialist Conference (PVSC). IEEE, 2015: 1-8.”；
（5）日本的OrigamiSat-1立方星使用的薄膜太阳电池阵依赖于弹性桅杆的应变能进行一次性展开，无法完成自主在轨多次折展，参见文献“Ikeya K, Sakamoto H,Nakanishi H, et al. Significance of 3U CubeSat OrigamiSat-1 for spacedemonstration of multifunctional deployable membrane[J]. Acta Astronautica,2020, 173: 363-377.”。
因此，本发明的研究价值在于通过利用折纸原理折展比大、空间利用率高的特点来设计航天器太阳电池阵，实现大折展比、高可靠性的空间太阳电池阵，这对提高航天器在轨发电能力有着重大意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，具有大折展比、收拢体积小、质量轻、可重复折展，能够极大程度提高太阳电池阵折展比和空间利用率。本发明采用变结构实现太阳电池阵可在展开和折叠的双模态切换，并且具有双模态下均能发电的特性。
为实现上述目的，本发明提供一种空间折展太阳电池阵系统，所述系统包括柔性折展太阳电池阵和折展支撑机构，折展支撑机构安装在太阳电池阵的下方，折展支撑机构用于驱动太阳电池阵在折叠状态和展开状态之间转换；其中
所述太阳电池阵采用单蜂巢折展构型，通过若干折痕划分为一个位于中心的正六边形单元、若干矩形单元和三角形单元，通过矩形单元和三角形单元的折叠，实现太阳电池阵从平面的展开状态到三维的折叠状态之间的转换；
所述折展支撑机构包括中心轮毂、第一折叠组件、第二折叠组件和驱动装置，第一折叠组件为从中心轮毂向外辐射延伸的杆件，第一折叠组件可相对于中心轮毂在展开位置和折叠位置之间运动；第二折叠组件与第一折叠组件可转动连接，可相对于第一折叠组件在展开位置和折叠位置之间运动；驱动装置用于驱动第一折叠组件和第二折叠组件运动实现太阳电池阵在折叠状态和展开状态之间的转换，实现太阳电池阵在展开状态和折叠状态之间进行双模态切换，并且展开状态和折叠状态均能发电。
进一步，折展支撑机构的中心轮毂具有圆柱形基座，基座外周均布设有六个支座，每个支座通过内铰链与第一折叠组件的内杆的一端可转动连接；内杆的另一端通过外铰链与齿轮机构与第二折叠组件的外杆可转动连接。
进一步，基座下方同轴心安装有中心支撑杆，中心支撑杆上设有能够驱动第一折叠组件和第二折叠组件在展开位置和折叠位置之间切换的驱动装置。
进一步，中心支撑杆采用表面附有螺纹的丝杆，驱动装置为套装在中心支撑杆上的驱动滑块，驱动滑块可在中心支撑杆上自由移动并锁紧，驱动滑块连接六根斜撑杆，斜撑杆另一端连接外铰链与齿轮机构，斜撑杆可以随驱动滑块在中心支撑杆上的位置移动而带动外铰链与齿轮机构运动，从而实现对第一折叠组件和第二折叠组件的同步驱动；中心轮毂外围连接六个内铰链，各铰链中心线夹角为60°，内杆固联于内铰链，另一端固联于外铰链与齿轮机构，外铰链与齿轮机构的另一端固联外杆，下方与斜撑杆铰接。
进一步，太阳电池阵的单蜂巢折展构型的图形中心为一个正六边形单元，正六边形单元各边连接矩形单元向外辐射，相邻矩形单元之间由若干三角形单元连接，使得太阳电池阵的折展构型整体上呈现为切除顶角的正六边形结构。
进一步，其中正六边形单元、矩形单元和三角形单元的几何参数满足以下条件：正六边形单元的边长等于矩形单元的宽，矩形单元的长等于正六边形单元边长的倍，三角形单元的对折顶点处的四个角均为45°。
进一步，外铰链与齿轮机构由内杆支座、内杆齿轮、对接点、外杆齿轮、外杆支座、保护壳、外铰链组成；内杆支座一侧与内杆固联，另一侧与内杆齿轮固联且内杆齿轮不能相对内杆支座转动，外杆支座一侧与外杆固联，另一侧与外杆齿轮固联且外杆齿轮不能相对外杆支座转动。
进一步，驱动滑块由外壳、电机、锁紧装置、控制器、铰接口、位移敏感器组成；铰接口与斜撑杆连接，控制器可控制电机与锁紧装置运行，电机驱动整个滑块沿中心支撑杆上下滑动，锁紧装置可锁定驱动滑块的位置，位移敏感器可测量驱动滑块移动的位移，并将测量信号传给控制器以构成闭环控制回路。
进一步，所述系统应用于航天器。
进一步，太阳电池阵的展开过程如下：由航天器向驱动滑块的控制器发送展开指令，控制器将控制信号转化并传输给电机和锁紧装置，锁紧装置解锁、电机开始转动，驱动滑块上移并推动斜撑杆运动，斜撑杆推动外铰链与齿轮机构向外扩展运动，内杆与外杆通过外铰链与齿轮机构的机械配合向外扩展拉平，当太阳电池阵完全展开时，太阳电池阵从三维的“单蜂巢”形状拉伸铺平为二维的平面形状，位移敏感器测量出的位移信号反馈给控制器，控制器收到位移信号后将发送指令给电机和锁紧装置，此时电机停止运转、锁紧装置锁紧；太阳电池阵的折叠过程为上述的逆过程。
有益效果：
相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：
现有技术一般采用刚性太阳能电池阵列，其基板及展开机构等机械部分在太阳电池阵的质量占比超过50%，且刚性基板在折叠状态需要保持20mm左右的安全间距，实现大折展比、收纳体积大、比功率低。本发明使用柔性太阳能电池阵列，收拢体积小、质量轻、可重复折展。本发明实现太阳电池阵在展开状态和折叠状态之间进行双模态切换，并且具有在展开状态和折叠状态的双模态下均能发电的特性。
现有技术在设计柔性太阳电池阵折展原理时仍停留在刚性板的设计方式中，不能充分发挥柔性太阳能电池阵的材料优势，没有应用折纸原理。本发明使用折纸原理设计太阳电池阵的折痕模式，实现了太阳电池阵从二维的去顶角正六边形向三维的六棱台“单蜂巢”构型自由变换的效果，极大程度提高太阳电池阵折展比。
现有技术设计太阳电池阵折叠时，折叠状态的太阳电池阵通常不存在受光面积，无法正常工作。本发明的折展太阳电池阵即使在折叠状态仍保持了一定面积的太阳能电池阵正常受光，使得太阳电池阵系统能够在折叠状态继续工作，全时段为航天器提供电能供应。此外，本发明的折痕模式使得太阳电池阵折展过程中应力最大处主要集中在小三角形区域，而面积较大的矩形和中心六边形折展过程中应力较小，有利于提高太阳电池阵的使用寿命并提高可靠性。
现有技术设计太阳电池阵折展支撑机构时，没有合理考虑与太阳电池阵折痕模式的结构、驱控一体化设计，其机械传动结构复杂，使用大量电机驱动，可靠性差，质量臃肿。本发明使用了结构、驱控一体化设计理念，在内外杆、内外铰链与齿轮机构的安装位置设计时充分融合折纸原理的需求布置，而驱控方案的设计上也是从折纸动力学出发，巧妙使用驱动滑块、斜撑杆、齿轮机构实现精简化，降低电机使用数量，提高工程可靠性。驱动滑块运动通过位移敏感器、控制器、电机实现闭环反馈控制，从而更精确的控制驱动滑块行程与太阳电池阵的展开过程，防止出现展开过度拉伤太阳电池阵的情况。
现有技术设计薄膜太阳电池阵折展支撑机构时，没有考虑航天器自主在轨折展的需求，折展支撑机构通常是依赖弹性体应变能一次性展开，无法自主折叠。本发明设计的折展支撑机构可通过驱动滑块的移动实现多次自主折展，控制灵活。
附图说明
图1是本发明实施例的一种双模态变结构空间折展太阳电池阵系统的结构示意图；
图2是本发明的太阳电池阵的折展构型示意图；
图3是本发明的太阳电池阵的折展构型几何参数示意图；
图4是本发明的太阳电池阵的折展构型折展过程示意图；
图5是本发明的展开状态折痕与折展支撑机构的俯视安装示意图；
图6是本发明的展开状态折痕与折展支撑机构的仰视安装示意图；
图7是本发明的外铰链与齿轮机构的结构示意图；
图8是本发明的外铰链与齿轮机构的内杆和外杆齿轮比示意图；
图9是本发明的驱动滑块的结构示意图；
图10是本发明的折展太阳电池阵系统折叠状态的结构示意图；
图11是本发明的折展太阳电池阵系统折叠状态的结构示意图；
图中：1、太阳电池阵；2、外杆；3、外铰链与齿轮机构；4、内杆；5、内铰链；6、中心轮毂；7、斜撑杆；8、中心支撑杆；9、驱动滑块；10、三角形单元；11、正六边形单元；12、矩形单元；13、外连接点；14、内连接点；15、内杆支座；16、内杆齿轮；17、对接点；18、外杆齿轮；19、外杆支座；20、保护壳；21、外铰链；22、外壳；23、电机；24、锁紧装置；25、控制器；26、铰接口；27、位移敏感器。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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在本发明中的具体含义。
以下结合图1-图11对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
根据本发明的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，如图1所示，所述系统包括柔性折展太阳电池阵1和折展支撑机构，折展支撑机构安装在太阳电池阵1的下方，折展支撑机构用于驱动太阳电池阵1在折叠状态和展开状态之间切换。折展支撑机构包括中心轮毂6、第一折叠组件、第二折叠组件和驱动装置，第一折叠组件为从中心轮毂向外辐射延伸的杆件，第一折叠组件可相对于中心轮毂在展开位置和折叠位置之间运动；第二折叠组件为与第一折叠组件可转动连接，可相对于第一折叠组件在展开位置和折叠位置之间运动；驱动装置可驱动第一折叠组件和第二折叠组件在展开位置和折叠位置之间运动。第一折叠组件包括6根内杆4，第二折叠组件包括6根外杆2。
中心轮毂6具有圆柱形基座，基座外周均布设有六个支座，每个支座通过内铰链5与第一折叠组件的内杆4的一端可转动连接；内杆4的另一端通过外铰链与齿轮机构3与第二折叠组件的外杆2可转动连接。基座下方同轴心安装有中心支撑杆8，中心支撑杆8用于将太阳能电池阵系统连接到航天器上。中心支撑杆8上设有能够驱动第一折叠组件和第二折叠组件在展开位置和折叠位置之间切换的驱动装置。为了电池阵的实现折叠和展开功能，中心支撑杆8采用表面附有螺纹的丝杆，驱动装置为套装在中心支撑杆8上的驱动滑块9，驱动滑块9可在中心支撑杆8上自由移动并锁紧，驱动滑块9连接6根斜撑杆7，斜撑杆7另一端连接外铰链与齿轮机构3，斜撑杆7可以随驱动滑块9在中心支撑杆8上的位置移动而带动外铰链与齿轮机构3运动，从而实现对第一折叠组件和第二折叠组件的同步驱动折叠或展开，从而带动外铰链连接的太阳电池阵1折展，中心轮毂外围连接六个内铰链5，各铰链中心线夹角为60°，内杆4固联于内铰链5，另一端固联于外铰链与齿轮机构3，外铰链与齿轮机构3的另一端固联外杆2，下方与斜撑杆7铰接。
太阳电池阵1的结构如图2所示，本发明采用单蜂巢折展构型的太阳电池阵。具体地，所述太阳电池阵采用柔性太阳电池阵，以聚酰亚胺薄膜为衬底，依次沉积Mo底电极、CIGS光吸收层、CdS缓冲层、ZnO/ZAO（即ZnO:Al掺铝氧化锌）窗口层、Al/Ni上电极。太阳电池阵1通过若干折痕划分为一个中心正六边形单元11、十二个矩形单元12和若干三角形单元10，折痕包括谷折和山折，其中虚线表示谷折，实线表示山折，通过各单元的折叠，实现太阳电池阵1从平面的展开状态到三维的折叠状态之间的转换。单蜂巢折展构型的图形中心为一个正六边形单元11，正六边形单元11各边连接矩形单元12向外辐射，相邻矩形单元12之间由若干三角形单元连接，使得太阳电池阵1的折展构型整体上呈现为切除顶角的正六边形结构。如图3所示，其中正六边形单元、矩形单元和三角形单元的几何参数满足以下条件：正六边形单元ALMNOP的边长AL等于矩形单元ALKH的宽HK，矩形单元ALKH的长AH等于正六边形单元ALMNOP边长AL的倍，正三角形单元AIF的对折顶点B、H、G处的四个角/>、/>、、/>由折叠关系可知,折叠后的边AB、BF均与BD重合，故上述四个角均为45°，而折叠后的AB、AH与AC重合，故/>，因此/>,/>,。
正三角形AIF的折叠过程为：点A、点I、点F重合，边FG、边IG与边DG重合，边IH、边AH与边FH重合，边AB、边BF与边BI重合，具体折展效果见图4所示的折展过程图；其能够从二维去顶角正六边形到三维的六棱台“单蜂巢”构型自由变换，也可以反向变换。
图5、图6所示为本发明展开状态折痕与折展支撑机构的安装示意图，通过六个外连接点13与外铰链与齿轮机构3连接，六个内连接点14与内铰链5和中心轮毂6连接，太阳电池阵1六条对角线上的折痕均由两个矩形单元12组成，外连接点13设置在两个矩形单元12的折痕所在的公共边的中点上，外杆2和内杆4安装于矩形单元12下方来支撑控制太阳电池阵1折展，内连接点14设置在中心正六边形单元11各边中点上以固定中心太阳电池阵。 由此通过折展支撑机构实现对于太阳电池阵的折叠和展开状态的支撑和控制。
图7所示为外铰链与齿轮机构3的结构图，其由内杆支座15、内杆齿轮16、对接点17、外杆齿轮18、外杆支座19、保护壳20、外铰链21组成。内杆支座15一侧与内杆4固联，另一侧与内杆齿轮16固联且内杆齿轮16不能相对内杆支座15转动，外杆支座19一侧与外杆2固联，另一侧与外杆齿轮18固联且外杆齿轮18不能相对外杆支座19转动，内杆齿轮16与外杆齿轮18型号不同但紧密咬合，内杆齿轮16与外杆齿轮18的紧密咬合使得内杆4和外杆2能够同步转动到折叠位置或展开位置。内杆齿轮和外杆齿轮被保护壳20包裹，保护壳20上方设有对接点17与太阳电池阵外连接点13对接，下方设有外铰链21与斜撑杆7铰接。
直径和齿数不同，目的是为了实现转动角速度的差速，如图8所示，设内杆4折叠状态下与中心支撑杆夹角为，则单次折叠\展开过程中，内杆转过的角度为/>，外杆转过的角度为/>，由此可知，内外齿轮的传动比为/>。图9所示为驱动滑块9的结构图，其由外壳22、电机23、锁紧装置24、控制器25、铰接口26、位移敏感器27组成。铰接口26与斜撑杆7连接，控制器25可控制电机23与锁紧装置24运行，电机23的输出轴上设有与中心支撑杆8的丝杆相配合的蜗轮，通过蜗轮的正转或反转驱动整个滑块沿中心支撑杆8上下滑动，锁紧装置24可锁定驱动滑块9的位置，位移敏感器27可测量驱动滑块9移动的位移，并将测量信号传给控制器25以构成闭环控制回路，使得驱动滑块9能够准确地在展开位置和折叠位置之间移动。
图10、图11为本发明的折叠状态的立体图，由图可看出太阳电池阵1折叠状态呈现出近似于六棱台的“单蜂巢”样式。
太阳电池阵的折展过程如下所述：以太阳电池阵的展开过程为例，由航天器向驱动滑块9的控制器25发送展开指令，控制器25将控制信号转化并传输给电机23和锁紧装置24，锁紧装置24解锁、电机23开始转动，驱动滑块9上移并推动斜撑杆7运动，斜撑杆7推动外铰链与齿轮机构3向外扩展运动，内杆4与外杆2通过外铰链与齿轮机构3的机械配合向外扩展拉平，当太阳电池阵完全展开时，太阳电池阵1从 三维的“单蜂巢”形状拉伸铺平为二维的平面形状，位移敏感器27测量出的位移信号反馈给控制器22，控制器22收到位移信号后将发送指令给电机23和锁紧装置24，此时电机23停止运转、锁紧装置24锁紧。太阳电池阵的折叠过程即为上述的逆过程，需要注意内杆齿轮17与外杆齿轮18型号不同但紧密咬合，故可实现内杆4和外杆2在折叠状态时二者相对铅垂面的夹角呈不同值，并非对称关系。
根据本发明的控价折展太阳电池阵，根据折展比计算公式为：
即展开状态的水平投影面积与折叠状态的水平投影面积之比，本发明的折展构型的理论折展比约为10.8。极大程度提高太阳电池阵折展比。
本发明具有如下技术效果：
1、本发明使用柔性太阳能电池阵列，收拢体积小、质量轻、可重复折展。柔性太阳电池阵以聚酰亚胺薄膜为衬底，依次沉积Mo底电极、CIGS光吸收层、CdS缓冲层、ZnO/ZAO（即ZnO:Al掺铝氧化锌）窗口层、Al/Ni上电极。
2、本发明使用折纸原理设计太阳电池阵的折痕模式，实现了太阳电池阵从二维的去顶角正六边形向三维的六棱台“单蜂巢”构型自由变换的效果，极大程度提高太阳电池阵折展比。本发明实现了太阳电池阵在展开状态和折叠状态之间进行双模态切换，并且具有展开状态和折叠状态均能发电的特性。
3、本发明的折展太阳电池阵即使在折叠状态仍保持了一定面积的太阳能电池阵正常受光，使得太阳电池阵系统能够在折叠状态继续工作，全时段为航天器提供电能供应。此外，本发明的折痕模式使得太阳电池阵折展过程中应力最大处主要集中在小三角形区域，而面积较大的矩形和中心六边形折展过程中应力较小，有利于提高太阳电池阵的使用寿命并提高可靠性。
4、本发明使用了结构、驱控一体化设计理念，在内外杆、内外铰链与齿轮机构的安装位置设计时充分融合折纸原理的需求布置，而驱控方案的设计上也是从折纸动力学出发，巧妙使用驱动滑块、斜撑杆、齿轮机构实现精简化，降低电机使用数量，提高工程可靠性。驱动滑块运动通过位移敏感器、控制器、电机实现闭环反馈控制，从而更精确的控制驱动滑块行程与太阳电池阵的展开过程，防止出现展开过度拉伤太阳电池阵的情况。
5、本发明设计的折展支撑机构可通过驱动滑块的移动实现多次自主折展，控制灵活。
本发明流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为表示包括一个或多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，可以实现在任何计算机刻度介质中，以供指令执行系统、装置或设备，所述计算机可读介质可以是任何包含存储、通信、传播或传输程序以供执行系统、装置或设备使用。包括只读存储器、磁盘或光盘等。
在本说明书的描述中，参考术语“实施例”、“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必须针对的是相同的实施例或示例。此外，本领域的技术人员可以在不产生矛盾的情况下，将本说明书中描述的不同实施例或示例以及其中的特征进行结合或组合。
上述内容虽然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、替换和变型等更新操作。

Claims (10)

1.一种双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，所述系统包括柔性折展太阳电池阵和折展支撑机构，折展支撑机构安装在太阳电池阵的下方，折展支撑机构用于驱动太阳电池阵在折叠状态和展开状态之间转换；其中：
所述太阳电池阵采用单蜂巢折展构型，通过若干折痕划分为一个位于中心的正六边形单元、若干矩形单元和三角形单元，通过矩形单元和三角形单元的折叠，实现太阳电池阵从平面的展开状态到三维的折叠状态之间的转换；
所述折展支撑机构包括中心轮毂、第一折叠组件、第二折叠组件和驱动装置，第一折叠组件为从中心轮毂向外辐射延伸的杆件，第一折叠组件可相对于中心轮毂在展开位置和折叠位置之间运动；第二折叠组件与第一折叠组件可转动连接，可相对于第一折叠组件在展开位置和折叠位置之间运动；驱动装置用于驱动第一折叠组件和第二折叠组件运动实现太阳电池阵在折叠状态和展开状态之间的转换，实现太阳电池阵在展开状态和折叠状态之间进行双模态切换，并且展开状态和折叠状态均能发电。
2.根据权利要求1所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，折展支撑机构的中心轮毂具有圆柱形基座，基座外周均布设有六个支座，每个支座通过内铰链与第一折叠组件的内杆的一端可转动连接；内杆的另一端通过外铰链与齿轮机构与第二折叠组件的外杆可转动连接。
3.根据权利要求2所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，基座下方同轴心安装有中心支撑杆，中心支撑杆上设有能够驱动第一折叠组件和第二折叠组件在展开位置和折叠位置之间切换的驱动装置。
4.根据权利要求3所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，中心支撑杆采用表面附有螺纹的丝杆，驱动装置为套装在中心支撑杆上的驱动滑块，驱动滑块可在中心支撑杆上自由移动并锁紧，驱动滑块连接六根斜撑杆，斜撑杆另一端连接外铰链与齿轮机构，斜撑杆可以随驱动滑块在中心支撑杆上的位置移动而带动外铰链与齿轮机构运动，从而实现对第一折叠组件和第二折叠组件的同步驱动；中心轮毂外围连接六个内铰链，各铰链中心线夹角为60°，内杆固联于内铰链，另一端固联于外铰链与齿轮机构，外铰链与齿轮机构的另一端固联外杆，下方与斜撑杆铰接。
5.根据权利要求1所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，太阳电池阵的单蜂巢折展构型的图形中心为一个正六边形单元，正六边形单元各边连接矩形单元向外辐射，相邻矩形单元之间由若干三角形单元连接，使得太阳电池阵的折展构型整体上呈现为切除顶角的正六边形结构。
6.根据权利要求5所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，其中正六边形单元、矩形单元和三角形单元的几何参数满足以下条件：正六边形单元的边长等于矩形单元的宽，矩形单元的长等于正六边形单元边长的倍，三角形单元的对折顶点处的四个角均为45°。
7.根据权利要求4所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，外铰链与齿轮机构由内杆支座、内杆齿轮、对接点、外杆齿轮、外杆支座、保护壳、外铰链组成；内杆支座一侧与内杆固联，另一侧与内杆齿轮固联且内杆齿轮不能相对内杆支座转动，外杆支座一侧与外杆固联，另一侧与外杆齿轮固联且外杆齿轮不能相对外杆支座转动。
8.根据权利要求7所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，驱动滑块由外壳、电机、锁紧装置、控制器、铰接口、位移敏感器组成；铰接口与斜撑杆连接，控制器可控制电机与锁紧装置运行，电机驱动整个滑块沿中心支撑杆上下滑动，锁紧装置可锁定驱动滑块的位置，位移敏感器可测量驱动滑块移动的位移，并将测量信号传给控制器以构成闭环控制回路。
9.根据权利要求1-8任一项所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，所述系统应用于航天器。
10.根据权利要求1-8任一项所述的双模态变结构空间折展太阳电池阵系统，其特征在于，太阳电池阵的展开过程如下：由航天器向驱动滑块的控制器发送展开指令，控制器将控制信号转化并传输给电机和锁紧装置，锁紧装置解锁、电机开始转动，驱动滑块上移并推动斜撑杆运动，斜撑杆推动外铰链与齿轮机构向外扩展运动，内杆与外杆通过外铰链与齿轮机构的机械配合向外扩展拉平，当太阳电池阵完全展开时，太阳电池阵从三维的“单蜂巢”形状拉伸铺平为二维的平面形状，位移敏感器测量出的位移信号反馈给控制器，控制器收到位移信号后将发送指令给电机和锁紧装置，此时电机停止运转、锁紧装置锁紧；太阳电池阵的折叠过程为上述的逆过程。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150216274A1 (en) * 2014-01-06 2015-08-06 Zon High Capacity Solar Charging Umbrella
CN205584097U (zh) * 2016-04-08 2016-09-14 武汉理工大学 一种旋转折叠式太阳能电池板组
CN212590752U (zh) * 2020-06-19 2021-02-26 高宇涵 一种可折叠式太阳能充电宝遮阳伞
CN218041337U (zh) * 2022-06-13 2022-12-13 上海宇航系统工程研究所 一种伞型薄膜太阳电池翼

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20150216274A1 (en) * 2014-01-06 2015-08-06 Zon High Capacity Solar Charging Umbrella
CN205584097U (zh) * 2016-04-08 2016-09-14 武汉理工大学 一种旋转折叠式太阳能电池板组
CN212590752U (zh) * 2020-06-19 2021-02-26 高宇涵 一种可折叠式太阳能充电宝遮阳伞
CN218041337U (zh) * 2022-06-13 2022-12-13 上海宇航系统工程研究所 一种伞型薄膜太阳电池翼

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