CN101913434A - 三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板 - Google Patents

Abstract

三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板，它涉及一种可在轨维修充气展开太阳帆板。针对太阳帆板在轨运行时，宇航员需要在空间环境中行走对需要更换的太阳帆板进行整体更换，宇航员的生命安全造成威胁问题。充气展开三维桁架由多个充气展开三维桁架单元依次首尾连通构成，充气展开三维桁架的首尾端与三角形支撑板固接，每个充气展开三维桁架单元与两根导向管相邻一侧平面内设置有与主支撑管连接的太阳电池基板，太阳电池基板由电池薄板、支撑结构板和多个第一励磁线圈组成；电池薄板通过支撑结构板支撑，支撑结构板内固装有第一励磁线圈，电池薄板和支撑结构板靠磁力吸引到一起，捕获板设置在太阳电池基板的外侧。本发明用于空间站等载人航天器中。

Description

三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板

技术领域

本发明涉及一种可在轨维修充气展开太阳帆板，属于航天技术领域。

背景技术

太阳能帆板是空间站等载人航天器的重要部件，其将收集到的太阳辐射能量转化为电能，为航天器提供电力支持。空间环境极其复杂，高真空、强紫外线、原子氧、“冷黑”以及存在的大量微流星和空间碎片，使太阳电池片在轨运行时出现损坏或老化的问题，这就需要对其进行更换和维修。传统的做法是由宇航员对有部分电池片损坏或老化的太阳帆板进行整体更换，而有些情况下损坏只是一小部分，整体更换会造成资源的浪费，加之太阳帆板展开后尺寸很大，宇航员需要在空间环境中行走很远的距离才能对其进行更换，更换难度大，而且对宇航员的生命安全造成威胁。空间环境的复杂性不利于这项工作的实施，它不仅威胁着宇航员的生命安全，而且在更换的过程中也影响着空间飞行器的稳定性。

发明内容

本发明的目的是提供一种三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板，以解决太阳帆板在轨运行出现部分电池片或电池基板损坏或老化时，宇航员需要在空间环境中行走很远的距离才能对有损坏或已经老化的太阳帆板进行整体更换，造成资源的浪费，且对宇航员的生命安全造成威胁问题。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：本发明的太阳帆板包括充气展开三维桁架、多块太阳电池基板、三根第一导线、三个第一接盘、三个第二接盘、三根第一充气导管、三个第一控制阀、两个三角形支撑板、两根导向管、两根第二导线、两个第二控制阀、两根第二充气导管和四个第三接盘；本发明的太阳帆板还包括捕获板、两根电动拉绳、多根连接绳和多个第二励磁线圈；充气展开三维桁架由多个充气展开三维桁架单元依次首尾连通构成，位于充气展开三维桁架首端的充气展开三维桁架单元的三根主支撑管的首端各分别固装有一个第一接盘，位于充气展开三维桁架尾端的充气展开三维桁架单元的三根主支撑管的尾端各分别固装有一个第二接盘，充气展开三维桁架的首端和尾端各分别设置有一个三角形支撑板，充气展开三维桁架通过三个第一接盘和三个第二接盘与相应的三角形支撑板固接，三根第一导线与三个第一接盘一一对应设置，每根第一导线穿过相应的三角形支撑板、第一接盘与主支撑管的电加热层连接，第一导线的两端设置在该三角形支撑板的外面，三根第一充气导管与三个第一接盘一一对应设置，每根第一充气导管的一端穿过相应的三角形支撑板、第一接盘与主支撑管连通，每根第一充气导管上装有一个第一控制阀，每根第一充气导管的另一端设置在该三角形支撑板的外面，两根导向管设置在两个三角形支撑板之间，两根导向管与充气展开三维桁架平行设置，且两根导向管位于充气展开三维桁架的任意一侧平面的外侧，每根导向管的两端各分别通过一个第三接盘与相应的三角形支撑板固接，两根第二导线与两根导向管一一对应设置，每根第二导线穿过相应的三角形支撑板、第三接盘与导向管的电加热层连接，第二导线的两端与第一导线的两端同侧设置，两根第二充气导管与三根第一充气导管同侧设置，两根第二充气导管与两根导向管一一对应设置，每根第二充气导管的一端穿过相应的三角形支撑板、第三接盘与导向管连通，每根第二充气导管上装有一个第二控制阀，每个充气展开三维桁架单元与两根导向管相邻的一侧平面内设置有一个太阳电池基板，且该太阳电池基板与其所在的充气展开三维桁架单元的两根主支撑管连接，每块太阳电池基板由电池薄板、支撑结构板和多个第一励磁线圈组成；电池薄板通过支撑结构板支撑，支撑结构板上加工有多个第一安装孔，每个第一安装孔内固装有一个第一励磁线圈，电池薄板由永磁材料制成，电池薄板和支撑结构板靠磁力吸引到一起，捕获板设置在多个太阳电池基板的外侧，捕获板的两个连接端分别与多根连接绳的两端连接，多根连接绳环套在两根导向管上，环套在每根导向管上的多根连接绳通过一根电动拉绳连接，捕获板上加工有多个第二安装孔，每个第二安装孔内固装有一个第二励磁线圈，主支撑管、斜拉管、副支撑管和导向管均为可刚化柔性充气展开管。

本发明的有益效果是：本发明采用三维结构，可满足100㎡以上的太阳帆板结构刚度的要求，提高了振动基频。此外，本发明能够在轨进行单块太阳电池板维修更换，更换方法简单、方便，易于实施。本发明能自动实现太阳电池基板的转移，并能够将需要更换的特定的太阳电池基板转移到航天员方便更换的固定端，不仅可大大减少航天员在轨更换的工作量，同时还保障了宇航员的生命安全。

附图说明

图1是本发明的充气展开三维桁架与太阳电池基板装配在一起的轴测图，图 2 是充气展开三维桁架的轴测图，图 3 是三维桁架单元的轴测图（图中表示了两个三维桁架单元），图 4 是本发明的三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板的轴测图（为表示清楚，太阳电池基板未画出），图5是太阳电池基板通过可刚化柔性复合材料布与主支撑管连接的轴测图，图6是太阳电池基板的轴测图，图7是电池薄板的轴测图，图8是支撑结构板的轴测图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1-图8说明，本实施方式的太阳帆板包括充气展开三维桁架、多块太阳电池基板1、三根第一导线2、三个第一接盘3、三个第二接盘4、三根第一充气导管5、三个第一控制阀8、两个三角形支撑板6、两根导向管7、两根第二导线12、两个第二控制阀16、两根第二充气导管15和四个第三接盘13；本实施方式的太阳帆板还包括捕获板9、两根电动拉绳10、多根连接绳11和多个第二励磁线圈20；充气展开三维桁架由多个充气展开三维桁架单元依次首尾连通构成，位于充气展开三维桁架首端的充气展开三维桁架单元的三根主支撑管14的首端各分别固装有一个第一接盘3，位于充气展开三维桁架尾端的充气展开三维桁架单元的三根主支撑管14的尾端各分别固装有一个第二接盘4，充气展开三维桁架的首端和尾端各分别设置有一个三角形支撑板6，充气展开三维桁架通过三个第一接盘3和三个第二接盘4与相应的三角形支撑板6固接，三根第一导线2与三个第一接盘3一一对应设置，每根第一导线2穿过相应的三角形支撑板6、第一接盘3与主支撑管14的电加热层连接，第一导线2的两端设置在该三角形支撑板6的外面，三根第一充气导管5与三个第一接盘3一一对应设置，每根第一充气导管5的一端穿过相应的三角形支撑板6、第一接盘3与主支撑管14连通，每根第一充气导管5上装有一个第一控制阀8，每根第一充气导管5的另一端设置在该三角形支撑板6的外面，两根导向管7设置在两个三角形支撑板6之间，两根导向管7与充气展开三维桁架平行设置，且两根导向管7位于充气展开三维桁架的任意一侧平面的外侧，每根导向管7的两端各分别通过一个第三接盘13与相应的三角形支撑板6固接，两根第二导线12与两根导向管7一一对应设置，每根第二导线12穿过相应的三角形支撑板6、第三接盘13与导向管7的电加热层连接，第二导线12的两端与第一导线2的两端同侧设置，两根第二充气导管15与三根第一充气导管5同侧设置，两根第二充气导管15与两根导向管7一一对应设置，每根第二充气导管15的一端穿过相应的三角形支撑板6、第三接盘13与导向管7连通，每根第二充气导管15上装有一个第二控制阀16，每个充气展开三维桁架单元与两根导向管7相邻的一侧平面内设置有一个太阳电池基板1，且该太阳电池基板1与其所在的充气展开三维桁架单元的两根主支撑管14连接，每块太阳电池基板1包括电池薄板17、支撑结构板18和多个第一励磁线圈19；电池薄板17通过支撑结构板18支撑，支撑结构板18上加工有多个第一安装孔，每个第一安装孔内固装有一个第一励磁线圈19，电池薄板17由永磁材料制成，电池薄板17和支撑结构板18靠磁力吸引到一起，捕获板9设置在多个太阳电池基板1的外侧，捕获板9的两个连接端分别与多根连接绳11的两端连接，多根连接绳11环套在两根导向管7上，环套在每根导向管7上的多根连接绳11通过一根电动拉绳10连接，捕获板9上加工有多个第二安装孔，每个第二安装孔内固装有一个第二励磁线圈20，主支撑管14、斜拉管22、副支撑管23和导向管7均为可刚化柔性充气展开管。

具体实施方式二：结合图1-图4说明，本实施方式的每个充气展开三维桁架单元包括三角形支撑架21、三根主支撑管14和三根斜拉管22；三角形支撑架21包括三根副支撑管23和三个六通连接管件24；每个六通连接管件24上设有两个主通管口25、两个副通管口26和两个斜拉管口27，两个主通管口25沿充气展开三维桁架的轴向同轴设置，三个六通连接管件24呈三角形布置，三根主支撑管14与三个六通连接管件24一一对应设置，每根主支撑管14的尾端固装在相应的主通管口25内，相邻两个六通连接管件24之间设置有一根副支撑管23，每根副支撑管23的两端分别固装在相应的副通管口26内，每个充气展开三维桁架单元的三个侧面内各分别设置有一根斜拉管22，且该斜拉管22设置在其所在侧面的任意一个角平分线上，每根斜拉管22的尾端固装在相应的斜拉管口27内；每根主支撑管14的首端固装在与其相邻的前一个六通连接管件24的主通管口25内，每根斜拉管22的首端固装在与其相邻的前一个六通连接管件24相应的斜拉管口27内。如此设置，结构简单，易于装配。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图5说明，本实施方式的太阳帆板还包括多块可刚化柔性复合材料布28；每个充气展开三维桁架单元上的两根主支撑管14上各分别包覆有多块可刚化柔性复合材料布28，多块可刚化柔性复合材料布28与该两根支撑管14的外壁复合在一起，每块可刚化柔性复合材料布28的连接端设有连接带29，每块太阳电池基板1通过可刚化柔性复合材料布28上的连接带29与其相对应的两根支撑管14连接。如此设置，便于太阳电池基板1与两根主支撑管14的连接。与其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图5、图6和图8说明，本实施方式的每块支撑结构板18的两个连接端上各分别设有多个螺栓穿过孔30，每个螺栓穿过孔30内装有一个螺栓31，每块支撑结构板18的两个连接端通过多个螺栓31与其相应的可刚化柔性复合材料布28上的连接带29连接。如此设置，可保证太阳电池基板1与两根主支撑管14牢固连接。其它与具体实施方式三相同。

充气展开三维桁架通过向主支撑管、副支撑管、斜拉管和导向管内部充气展开，展开后，太阳帆板开始发电给卫星供电，卫星供电给支撑管及导向管内部加热导线供电，使支撑管及导向管加热刚化，以达到结构刚度、强度性能要求。

在实际使用时，支撑管和导向管内压力可保持相当长的时间，因此，并不需要立刻通电加热刚化。等支撑管和导向管充气展开后，太阳帆板即可开始发电给卫星供电，卫星供电给支撑管内部加热的第一导线供电及导向管内部的第二导线供电，为支撑管及导向管加热刚化提供刚化能量支持。

导向管上安装有可以沿导向管轴向滑动的捕获板，捕获板通过沿轴向安装的电动拉绳拉动从而沿导向管轴向滑动。

在工程实际中，可利用限位器等对捕获板进行定位，以便准确的进行太阳电池基板的捕获和释放。

工作流程如下：1、首先通过电机驱动电动拉绳，将捕获板移动到相应要更换的电池薄板处；2、支撑结构板上的第一励磁线圈通电，抵消对电池薄板的吸引；3、同时，捕获板上的第二励磁线圈通电，产生电磁力，从而将电池薄板从支撑结构板上吸引并捕获到捕获板上；4、电机驱动电动拉绳，将捕获板连同所捕获的电池薄板转移到太阳帆板的尾端；5、航天员在轨更换电池薄板；6、将更换的新电池薄板安装到捕获板上，捕获板移动到相应的支撑结构板处，捕获板释放新电池薄板，该支撑结构板通电加强磁力吸引，将新电池薄板捕获到该支撑结构板上，整个太阳电池基板更换过程完成。

若太阳帆板需整体更换，可将太阳帆板卸下安装在货运飞船外体，随货运飞船坠入大气层销毁。

Claims (4)

1.一种三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板，所述太阳帆板包括充气展开三维桁架、多块太阳电池基板（1）、三根第一导线（2）、三个第一接盘（3）、三个第二接盘（4）、三根第一充气导管（5）、三个第一控制阀（8）、两个三角形支撑板（6）、两根导向管（7）、两根第二导线（12）、两个第二控制阀（16）、两根第二充气导管（15）和四个第三接盘（13）；其特征在于：所述太阳帆板还包括捕获板（9）、两根电动拉绳（10）、多根连接绳（11）和多个第二励磁线圈（20）；充气展开三维桁架由多个充气展开三维桁架单元依次首尾连通构成，位于充气展开三维桁架首端的充气展开三维桁架单元的三根主支撑管（14）的首端各分别固装有一个第一接盘（3），位于充气展开三维桁架尾端的充气展开三维桁架单元的三根主支撑管（14）的尾端各分别固装有一个第二接盘（4），充气展开三维桁架的首端和尾端各分别设置有一个三角形支撑板（6），充气展开三维桁架通过三个第一接盘（3）和三个第二接盘（4）与相应的三角形支撑板（6）固接，三根第一导线（2）与三个第一接盘（3）一一对应设置，每根第一导线（2）穿过相应的三角形支撑板（6）、第一接盘（3）与主支撑管（14）的电加热层连接，第一导线（2）的两端设置在该三角形支撑板（6）的外面，三根第一充气导管（5）与三个第一接盘（3）一一对应设置，每根第一充气导管（5）的一端穿过相应的三角形支撑板（6）、第一接盘（3）与主支撑管（14）连通，每根第一充气导管（5）上装有一个第一控制阀（8），每根第一充气导管（5）的另一端设置在该三角形支撑板（6）的外面，两根导向管（7）设置在两个三角形支撑板（6）之间，两根导向管（7）与充气展开三维桁架平行设置，且两根导向管（7）位于充气展开三维桁架的任意一侧平面的外侧，每根导向管（7）的两端各分别通过一个第三接盘（13）与相应的三角形支撑板（6）固接，两根第二导线（12）与两根导向管（7）一一对应设置，每根第二导线（12）穿过相应的三角形支撑板（6）、第三接盘（13）与导向管（7）的电加热层连接，第二导线（12）的两端与第一导线（2）的两端同侧设置，两根第二充气导管（15）与三根第一充气导管（5）同侧设置，两根第二充气导管（15）与两根导向管（7）一一对应设置，每根第二充气导管（15）的一端穿过相应的三角形支撑板（6）、第三接盘（13）与导向管（7）连通，每根第二充气导管（15）上装有一个第二控制阀（16），每个充气展开三维桁架单元与两根导向管（7）相邻的一侧平面内设置有一个太阳电池基板（1），且该太阳电池基板（1）与其所在的充气展开三维桁架单元的两根主支撑管（14）连接，每块太阳电池基板（1）包括电池薄板（17）、支撑结构板（18）和多个第一励磁线圈（19）；电池薄板（17）通过支撑结构板（18）支撑，支撑结构板（18）上加工有多个第一安装孔，每个第一安装孔内固装有一个第一励磁线圈（19），电池薄板（17）由永磁材料制成，电池薄板（17）和支撑结构板（18）靠磁力吸引到一起，捕获板（9）设置在多个太阳电池基板（1）的外侧，捕获板（9）的两个连接端分别与多根连接绳（11）的两端连接，多根连接绳（11）环套在两根导向管（7）上，环套在每根导向管（7）上的多根连接绳（11）通过一根电动拉绳（10）连接，捕获板（9）上加工有多个第二安装孔，每个第二安装孔内固装有一个第二励磁线圈（20），主支撑管（14）、斜拉管（22）、副支撑管（23）和导向管（7）均为可刚化柔性充气展开管。

2.根据权利要求1所述的三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在于：每个充气展开三维桁架单元包括三角形支撑架（21）、三根主支撑管（14）和三根斜拉管（22）；三角形支撑架（21）包括三根副支撑管（23）和三个六通连接管件（24）；每个六通连接管件（24）上设有两个主通管口（25）、两个副通管口（26）和两个斜拉管口（27），两个主通管口（25）沿充气展开三维桁架的轴向同轴设置，三个六通连接管件（24）呈三角形布置，三根主支撑管（14）与三个六通连接管件（24）一一对应设置，每根主支撑管（14）的尾端固装在相应的主通管口（25）内，相邻两个六通连接管件（24）之间设置有一根副支撑管（23），每根副支撑管（23）的两端分别固装在相应的副通管口（26）内，每个充气展开三维桁架单元的三个侧面内各分别设置有一根斜拉管（22），且该斜拉管（22）设置在其所在侧面的任意一个角平分线上，每根斜拉管（22）的尾端固装在相应的斜拉管口（27）内；每根主支撑管（14）的首端固装在与其相邻的前一个六通连接管件（24）的主通管口（25）内，每根斜拉管（22）的首端固装在与其相邻的前一个六通连接管件（24）相应的斜拉管口（27）内。

3.根据权利要求1或2所述的三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在于：所述太阳帆板还包括多块可刚化柔性复合材料布（28）；每个充气展开三维桁架单元上的两根主支撑管（14）上各分别包覆有多块可刚化柔性复合材料布（28），多块可刚化柔性复合材料布（28）与该两根支撑管（14）的外壁复合在一起，每块可刚化柔性复合材料布（28）的连接端设有连接带（29），每块太阳电池基板（1）通过可刚化柔性复合材料布（28）上的连接带（29）与其相对应的两根支撑管（14）连接。

4.根据权利要求3所述的三维桁架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在于：每块支撑结构板（18）的两个连接端上各分别设有多个螺栓穿过孔（30），每个螺栓穿过孔（30）内装有一个螺栓（31），每块支撑结构板（18）的两个连接端通过多个螺栓（31）与其相应的可刚化柔性复合材料布（28）上的连接带（29）连接。

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