一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置的製作方法

2023-06-17 18:15:31

專利名稱：一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，特別適合於高功率要求的太空飛行器使用，屬於太空飛行器材和裝備技術領域。
背景技術：
太陽電池陣是大多數太空飛行器的主要電力供應來源。剛性太陽電池陣是目前成熟的太陽電池陣技術，也是目前太空飛行器上應用最廣泛的太陽能電池組成的陣列，通常包括壓緊釋放機構、展開機構、同步機構、鎖定機構、定向機構等。太陽電池陣通過連接架與衛星本體相連；壓緊釋放機構保證在發射過程中使電池陣處於安全的收攏狀態，並在衛星到達預定軌道後釋放太陽電池陣；展開機構在太陽電池陣釋放後使其順利展開；當太陽電池陣展開到預定位置後通過鎖定機構對太陽電池陣完成鎖定；安裝在衛星本體上的驅動機構實現太陽電池陣對太陽的定向跟蹤。我國現階段使用的太陽電池陣基本上是剛性摺疊展開式，這種型式的太陽電池陣結構簡單、包裝效率高、剛性較好且可靠性較高；但是受限於結構的設計，難以實現大面積的太陽能電池鋪設，發電功率較小。隨著太空飛行器功能的日益複雜，太空飛行器的對能源需求逐漸增加，使得對太空飛行器太陽電池陣的功率要求也隨之大幅增加，剛性摺疊式太陽電池陣在這方面具有一定的局限性。增大太陽電池陣的電池鋪設面積是提高其輸出功率的有效方法。 本發明研製了一種採用增加側板並利用連杆機構推動側板滑動展開的太陽電池陣展開裝置。

發明內容
本發明的目的在於提出一種能實現大面積展開的太陽電池陣展開裝置，以滿足太空飛行器日益增長的功率需求。本發明採用的技術方案為該裝置包括主體板展開部分及側板展開部分，側板展開部分布置在主體板上。所述主體板展開部分由三腳架、主體板、主體板連接鉸鏈、桁架杆同步機構組成； 太空飛行器本體與三腳架之間、三腳架與內側主體板之間、內側主體板與中間主體板之間、中間主體板與外側主體板之間分別通過主體板連接鉸鏈相連；同步桁架機構各杆與主體板鉸接，與主體板共同形成典型的剪刀型機構，控制各主體板同步展開。該三腳架由三根中空的方形鋁材構成，長度分別為1750mm、1559mm、1559mm，截面尺寸為14_ X 14mm,招材壁厚3mm,方形招材端部由三角形鐵片連接。該主體板米用碳纖維面板招蜂窩夾層結構，尺寸為2580mmX 1750mmX 22mm,面密度為 I. 5kg/m2。該主體板連接鉸鏈由公鉸、母鉸、鉸鏈轉軸、滑銷、滑銷轉軸、滑銷固定架、滑銷彈簧片、平面渦卷彈簧、鉸鏈轉軸固定螺母、滑銷轉軸固定螺母、滑銷固定螺母組成；公鉸與母鉸通過鉸鏈轉軸相連，鉸鏈轉軸一端安裝鉸鏈轉軸固定螺母實現軸向固定；鉸鏈集成了主體板間鎖定機構，滑銷插入滑銷固定架上的通孔，並安裝滑銷固定螺母實現相對固定，滑銷轉軸穿過滑銷固定架的另一通孔及母鉸上相應的通孔，並安裝滑銷轉軸固定螺母實現與母鉸的相連；滑銷彈簧片與滑銷轉軸固連，滑銷在公鉸的邊緣滑動，在三腳架與主體板完全展平後滑入凹槽實現鎖定；平面渦卷彈簧採用非接觸型外端迴轉式，與鉸鏈轉軸固接，平面渦卷彈簧驅動主體板展開。該桁架杆同步機構由桁架長杆、桁架短杆及杆間鉸鏈組成，桁架長杆的長度與主體板完全展平時相鄰兩主體板中心的距離相等，桁架短杆的長度為桁架長杆的一半。所述側板展開部分由側板、伺服電機、傳動系統、絲槓、四連杆機構、直線導軌、側板滑軌組成。其中絲槓採用滾珠絲槓。通過傳動系統將伺服電機輸出轉速降低，傳動系統輸出軸兩端通過聯軸器分別與兩邊的滾珠絲槓相連，滾珠絲槓將旋轉運動轉化為直線運動， 推動四連杆機構運動，四連杆機構推動側板沿滑軌滑動實現展開，側板滑動到滑軌末端時被鎖定。
該側板採用碳纖維面板鋁蜂窩夾層結構，尺寸為2400mmX800mmX22mm，面密度為
I.5kg/m2。該伺服電機型號是GYS500DC2-T2，額定輸出50W，額定輸出轉速為3000r/min。該傳動系統為傳動比為3的直齒輪減速裝置，大齒輪、小齒輪軸系均採用兩端固定的方式與支座相連，小齒輪齒數為17,大齒輪齒數為51,模數為0. 8,齒寬係數為1，傳動精度等級為4，採用閉式傳動，對稱支撐。傳動系統的輸入軸與輸出軸均用聯軸器與相應裝置相連。該滾珠絲槓包括絲槓及絲槓螺母，絲槓公稱直徑為14mm-18mm。該四連杆機構由兩根長連杆、兩根短連杆、杆間鉸鏈、杆端滑塊、杆端滑塊導軌組成。長連杆長度為825mm-l 102mm，短連杆長度為150mm-600mm，連杆之間由杆間鉸鏈相連， 長連杆一端鉸接固定於主體板上的連杆固定鉸接座，另一端鉸接杆端滑塊，杆端滑塊可在固結於側板邊緣的杆端滑塊導軌上滑動。短連杆一端與長連杆鉸接，另一端與絲槓螺母鉸接。四連杆機構運動過程中，兩根長連杆鉸接有杆端滑塊的一端遠離中心向兩邊運動，從而推動側板滑動展開。該直線導軌型號為SSEBL6-26，是一種微型直線導軌，滑軌總高度13mm，長度為 1000mm。導軌布置於絲槓的正下方，導軌滑塊通過螺栓連接與絲槓螺母固連。該側板滑軌為SSRR36三段抽拉型、可互鎖型線性滑軌，全高為19. Imm,滑軌移動距離為750mm。此滑軌的兩個相對滑動部件分別與主體板及側板固結，在完全展開時能實現完全鎖定，表面光澤處理。四連杆機構的連杆長度需嚴格計算，以保證有穩定的運動學與動力學特徵，各連杆長度在合理範圍內，應保證傳動角儘可能大。需對絲槓螺母及直線導軌滑塊的結構及尺寸進行相應改變，以減小尺寸及實現相互固連。桁架杆同步機構在裝配時，杆間鉸鏈的轉軸與主體板連接鉸鏈的轉軸要有較高的同軸度，以增強桁架杆同步機構的可靠性。 其中，主體板連接鉸鏈有兩種高度，在主體板摺疊時側板相貼的兩塊主體板間採用高度較高的主體板連接鉸鏈，其他採用高度較低的主體板連接鉸鏈；其中，在主體板兩側對稱布置桁架杆同步機構，以提高主體板展開的同步可靠性；
其中，每塊側板下均有兩個側板滑軌對稱布置；其中，每塊主體板上布置兩套四連杆機構及兩個滾珠絲槓，由同一個伺服電機驅動，傳動系統的輸出軸兩端分別與兩側的滾珠絲槓通過聯軸器相連，兩側絲槓的旋向相反。本發明的優點為該裝置是一種太陽電池陣展開裝置，通過在主體板上增加側板來增大太陽電池的鋪設面積，從而提高太陽電池陣的輸出功率。四連杆機構推動側板展開的方式使得側板在展開過程中受力始終對稱，側板的運動精度較高，易於實現側板滑動的鎖定。整個側板展開部分結構簡單可靠，可操作性好，收攏時面積為4. 515m2，完全展開後面積為24. 345m2，特別適用於大功率需求的太空飛行器。


圖I為本發明完全展開狀態示意圖；圖2為側板部分展開示意圖；圖3為主體板連接鉸鏈示意圖(a組合圖；b分解圖)；圖4為側板展開部分傳動系統示意圖；圖5為側板展開部分四連杆機構示意圖；圖6為桁架杆同步機構示意圖；圖7為本發明完全收攏狀態示意圖。圖中具體標號如下I——太空飛行器本體2——定向系統3——祐1架杆同步機構4-三腳架5-內側主體板6-中間主體板7-側板8-外側主體板9-主體板連接鉸鏈10—側板滑軌11—四連杆機構12—傳動系統13——絲槓9A——公鉸9B——滑銷轉軸9C——滑銷固定架9D——滑銷轉軸固定螺母9E——滑銷彈簧片9F——滑銷9G——滑銷固定螺母 9H~鉸鏈轉軸固定螺母91—母鉸9J—鉸鏈轉軸9K——平面渦卷彈簧9L—平面渦卷彈簧外擋杆14—絲槓支座15——套筒16——傳動大齒輪17——傳動小齒輪18——減速箱箱體19——端蓋20——電機固定座21——伺服電機22—聯軸器23——杆端滑塊24——長連杆25—短連杆26——杆端滑塊導軌27——絲杆螺母28——連杆固定鉸接座 29——祐1架短杆30——祐1架長杆2A——定向電機2B——定向機構輸出軸
具體實施例方式本發明提供了一種能夠實現大面積展開的太陽電池陣展開裝置，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一步說明。如圖I所示，該裝置可分為兩個主要部分主體板展開部分和側板展開部分。側板展開部分布置在主體板上。所述主體板展開部分由三腳架4、內側主體板5、中間主體板6、外側主體板8、主體板連接鉸鏈9、桁架杆同步機構3組成；太空飛行器本體I與三腳架4之間、三腳架4與內側主體板5之間、內側主體板5與中間主體板6之間、中間主體板6與外側主體板8之間分別通過主體板連接鉸鏈9相連；同步桁架機構3與主體板相連，形成典型的剪刀型機構，控制各主體板同步展開。三腳架4由三根中空的方形鋁材構成，長度分別為1750mm、1559mm、1559mm，截面尺寸為14_ X 14mm,招材壁厚3mm,方形招材端部通過三角形鐵片連接。內側主體板5、中間主體板6和外側主體板8均採用碳纖維面板鋁蜂窩夾層結構， 尺寸為 2580mmX 1750mmX 22mm,面密度為 I. 5kg/m2。該主體板連接鉸鏈9由公鉸9A、母鉸91、鉸鏈轉軸9J、滑銷9F、滑銷轉軸9B、滑銷固定架9C、滑銷彈簧片9E、平面渦卷彈簧9K、鉸鏈轉軸固定螺母9H、滑銷轉軸固定螺母9D、 滑銷固定螺母9G、平面渦卷彈簧外擋杆9L組成。公鉸9A與母鉸91通過鉸鏈轉軸相連，鉸鏈轉軸9 J 一端安裝鉸鏈轉軸固定螺母9H實現軸向固定；鉸鏈集成了主體板間鎖定機構，滑銷9F插入滑銷固定架9C上的通孔，並安裝滑銷固定螺母9G實現相對固定，滑銷轉軸9B穿過滑銷固定架9C的另一通孔及母鉸91上相應的通孔，並安裝滑銷轉軸固定螺母9D實現與母鉸91的相連；滑銷彈簧片9E與滑銷轉軸9B固連，滑銷9F在公鉸9A的邊緣滑動，在三腳架4與三塊主體板完全展平後滑入凹槽實現鎖定；平面渦卷彈簧9K採用非接觸型外端迴轉式，與鉸鏈轉軸9J固接，平面渦卷彈簧9K驅動主體板展開。該桁架杆同步機構3由桁架長杆30、桁架短杆29及杆間鉸鏈組成，桁架長杆30的長度與主體板完全展平時相鄰兩主體板中心的間距相等，桁架短杆29的長度為桁架長杆 30的一半。所述側板展開部分由側板7、伺服電機21、傳動系統12、滾珠絲槓、四連杆機構11、 直線導軌、側板滑軌10組成。通過傳動系統12將伺服電機21的輸出轉速降低，傳動系統 12的輸出軸兩端通過聯軸器22分別與兩側的滾珠絲槓相連，滾珠絲槓將旋轉運動轉化為直線運動，推動四連杆機構11運動，四連杆機構11推動側板7沿側板滑軌10滑動實現側板的展開，側板7滑動到側板滑軌10末端時被鎖定。該側板7採用碳纖維面板鋁蜂窩夾層結構，尺寸為2400mmX 800mmX 22mm，面密度為 I. 5kg/m2。該 伺服電機21型號是GYS500DC2-T2，額定輸出50W，額定輸出轉速為3000r/min。該傳動系統12為傳動比為3的直齒輪減速裝置，大齒輪、小齒輪軸系均採用兩段固定的方式與支座相連，小齒輪16齒數為17,大齒輪17齒數為51,模數為0. 8,齒寬係數為 1，傳動精度等級為4，採用閉式傳動，對稱支撐。傳動系統的輸入軸與輸出軸均用聯軸器與相應裝置相連。該滾珠絲槓包括絲槓13及絲槓螺母27，絲槓13公稱直徑為14mm-18mm。該四連杆機構11由兩根長連杆24、兩根短連杆25、杆間鉸鏈、杆端滑塊23、杆端滑塊導軌26組成。連杆由杆間鉸鏈相連，長連杆24 —端鉸接在固定於主體板上的連杆固定鉸接座28，另一端鉸接杆端滑塊23，杆端滑塊23可在固結於側板邊緣的杆端滑塊導軌26上滑動。短連杆25 —端與長連杆24鉸接，另一端與絲槓螺母27鉸接。在四連杆機構11運動的過程中，兩根長連杆24鉸接有杆端滑塊23的一端遠離中心向兩邊運動，從而推動側板 7滑動展開。該直線導軌型號為SSEBL6-26，是一種微型直線導軌，滑軌總高度13mm，長度為 1000mm。導軌布置於絲槓的正下方，導軌滑塊通過螺栓連接與絲槓螺母固連。該側板滑軌10為SSRR36三段抽拉型、可互鎖型線性滑軌，全高為19. Imm,滑軌移動距離為750mm。此滑軌的兩個相對滑動部件分別與主體板及側板固結，在完全展開時能實現完全鎖定，表面光澤處理。下面結合附圖，對本發明的設計方案做進一步的說明。
如圖I所示，本發明是一種在主體板上增加側板從而實現大面積展開的太陽電池陣展開裝置，包括主體板展開部分及側板展開部分。每塊主體板上安裝兩塊側板7，整個裝置共有6塊側板7，各塊主體板及三腳架4通過主體板連接鉸鏈9相連接，三腳架4與太空飛行器本體I也通過主體板間鉸接9相連，主體板連接鉸鏈驅動各主體板展開，通過主體板兩側的桁架杆同步機構3保證各主體板同步展開。如圖2，所述的側板展開部分全部布置於主體板上，由側板7、側板滑軌10、傳動系統12、絲槓13、四連杆機構11、伺服電機21、直線導軌組成，伺服電機21額定轉速為3000r/ min，傳動系統12的輸出轉速降為電機轉速的三分之一，傳動系統12的輸出軸兩端分別連接兩側的絲槓13，絲槓13將轉動轉化為直線運動從而推動四連杆機構11運動，從而推動側板7向兩側滑動展開。如圖3，所述的主體板連接鉸鏈9集成了展開鎖定機構及渦卷彈簧9K，公鉸9A與母鉸91由鉸鏈轉軸9J相連。鉸鏈轉軸固定螺母9H與公鉸9A之間有較大的靜摩擦力，保證了鉸鏈轉軸9J與公鉸9A無相對轉動。由於滑銷彈簧片9E的作用，在主體板連接鉸鏈9 的轉動過程中，滑銷9F始終與母鉸91的外圓周相切，直到三腳架4與主體板完全展平時， 滑銷9F滑入母鉸91上的凹槽實現主體板展開部分的鎖定。預先壓縮的平面渦卷彈簧9K 能均勻地釋放儲存的彈性勢能，從而驅動三腳架4及主體板展開。如圖4，所述的傳動系統12主體為一減速箱，通過齒輪傳動實現降速，伺服電機21 通過聯軸器22將轉動輸入傳動系統，傳動系統12的輸出軸兩端分別通過聯軸器22與兩側絲槓13相連，將輸出轉動同步地傳遞到兩側的絲槓13。如圖5，所述四連杆機構11的輸入運動來自絲槓螺母27沿絲槓13所做的直線運動，短連杆25 —端與絲槓螺母27鉸接，另一端與長連杆24鉸接。長連杆24 —端鉸接固定於主體板上的連杆固定鉸接座，另一端與杆端滑塊23鉸接。絲槓螺母27做直線運動推動四連杆機構11運動，長連杆24帶動杆端滑塊23在其導軌上滑動並推動側板7滑動展開。如圖6，所述桁架杆同步機構3是一種結構簡單且可靠的同步機構，桁架長杆30與主體板5、6在它們的中點處相鉸接，桁架短杆29長度為桁架長杆30的一半，各桁架杆在杆端相互鉸接，兩桁架短杆29未與桁架杆鉸接的兩端分別與三腳架4頂點及外側主體板8中點相鉸接。如圖7，本發明在收攏狀態時，太陽電池陣完全貼緊太空飛行器本體1，定向電機2A為步進電機，定向系統的輸出軸2B與三角架通過主體板連接鉸鏈9相連。定向電機2A驅動整個太陽電池陣繞電機軸的做旋轉運動，從而實現太陽電池陣的對日跟蹤定向。連接摺疊時側板相貼的兩塊主體板的主體板連接鉸鏈9比其他主體板連接鉸鏈9高度要高，高度相差值為側板7上表面到主體板上表面的高度差值。下面詳細介紹本發明關鍵參數的設計計算。本專利所述的關鍵參數計算主要包括四連杆機構各連杆長度設計計算、伺服電機輸出轉速設計計算等。I、四連杆機構各連杆長度設計計算(I)長連杆長L1根據側板展開部分整體布置要求、側板滑動行程及材料的力學性能，有 825mm < L1 < 1102mm,取 L1 = 900mm。(2)短連杆長L2及長連杆中間鉸接點距其固定鉸接端距離L。由於絲槓螺母運動行程關係到側板展開的時間，設定絲槓螺母運動行程Pji 足0彡P1彡500mm,設定側板滑動行程P2 = 750mm,為了使長連杆受力性能較好，設定 L彡300mm,由幾何關係可得

權利要求
1.一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，其特徵在於展開裝置由主體板展開部分及側板展開部分組成；側板展開部分布置在主體板上；所述主體板展開部分由三腳架(4)、主體板、主體板連接鉸鏈(9)、桁架杆同步機構(3) 組成，其中主體板包括內側主體板(5)、中間主體板(6)和外側主體板(8);太空飛行器本體(I) 與三腳架⑷之間、三腳架⑷與內側主體板(5)之間、內側主體板(5)與中間主體板(6) 之間、中間主體板(6)與外側主體板⑶之間分別通過主體板連接鉸鏈(9)相連；桁架杆同步機構(3)各杆與主體板鉸接，與主體板共同形成典型的剪刀型機構；所述側板展開部分由側板(7)、伺服電機(21)、傳動系統(12)、絲槓(13)、四連杆機構(11)、直線導軌、側板滑軌(10)組成；兩塊側板(7)對稱布置在主體板的兩側，每塊側板下安裝兩塊側板滑軌，通過側板滑軌(10)與主體板相連；其他側板展開部分的機構均布置於兩塊側板之間，伺服電機(21)的輸出軸通過聯軸器與傳動系統(12)的輸入軸相連，傳動系統(12)的輸出軸通過聯軸器與兩側的絲槓(13)相連，四連杆機構(11)的短連杆(25)與絲槓(13)的絲槓螺母鉸接；四連杆機構(11)的長連杆(24)杆端鉸接有杆端滑塊(23)，杆端滑塊(23)可在固結於側板邊緣的杆端滑塊導軌(26)上滑動，從而實現四連杆機構(11) 與側板(7)的連接；通過傳動系統(12)將伺服電機(21)的輸出轉速降低，傳動系統(12)輸出軸的兩端通過聯軸器分別與兩側的絲槓相連，絲槓將旋轉運動轉化為沿絲槓長度方向的直線運動，絲槓螺母(27)推動四連杆機構(11)運動，從而帶動側板(7)的滑動展開，側板滑動到滑軌末端時實現鎖定；每塊主體板上均對稱布置有兩套四連杆機構及兩個絲槓，用以保證側板的受力對稱，兩側絲槓螺紋旋向相反。
2.根據權利要求I所述的一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，其特徵在於所述桁架杆同步機構(3)由桁架長杆(30)、桁架短杆(29)及杆間鉸鏈組成，關於主體板對稱布置；桁架長杆(30)的長度與主體板完全展平時相鄰兩主體板中心的間距相等，桁架短杆 (29)的長度為桁架長杆(30)的一半。
3.根據權利要求I所述的一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，其特徵在於所述四連杆機構(11)由兩根長連杆(24)、兩根短連杆(25)、杆間鉸鏈、杆端滑塊(23)、杆端滑塊導軌(26)組成；長連杆(24)長度為825mm-l 102mm，短連杆(25)長度為150mm-600mm，各連杆之間由杆間鉸鏈相連，長連杆(24) —端鉸接固定在主體板上的連杆固定鉸接座(28)上， 另一端鉸接杆端滑塊(23);短連杆(25) —端與長連杆(24)鉸接，另一端與絲槓螺母(27) 鉸接；四連杆機構(11)運動過程中，兩根長連杆鉸接有杆端滑塊的一端遠離中心向兩邊運動，從而推動側板滑動展開。
4.根據權利要求I所述的一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，其特徵在於所述三腳架(4)由三根中空的方形鋁材首尾相接而成，長度分別為1750mm、1559mm、1559mm，截面尺寸為14_ X 14mm,招材壁厚3mm,方形招材端部通過三角形鐵片連接。
5.根據權利要求I所述的一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，其特徵在於所述各主體板均採用碳纖維面板招蜂窩夾層結構，尺寸為2580mmX 1750mmX22mm,面密度為I.5kg/m2。
6.根據權利要求I所述的一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，其特徵在於所述側板(7)採用碳纖維面板鋁蜂窩夾層結構，尺寸為2400mmX800mmX22mm，面密度為I. 5kg/m2o
7.根據權利要求I所述的一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，其特徵在於所述側板展開前鎖定由伺服電機自鎖實現，展開前釋放由伺服電機解除自鎖實現，展開末鎖定由伺服電機自鎖及側板滑軌鎖定共同實現。
8.根據權利要求I所述的一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置，其特徵在於所述絲槓為滾珠絲槓。
全文摘要
一種大面積展開的太陽電池陣展開裝置屬於太空飛行器材和裝備技術領域。主要由主體板展開部分及側板展開部分組成，側板展開部分布置在主體板上；主體板展開部分由三腳架、主體板、主體板連接鉸鏈、桁架杆同步機構組成，主體板連接鉸鏈驅動各主體板呈Z形展開，桁架同步機構與主體板共同形成剪刀型機構完成各主體板同步展開；側板展開部分由側板、伺服電機、傳動系統、絲槓、四連杆機構、直線導軌和側板滑軌組成，伺服電機通過傳動系統驅動兩側的絲槓，通過四連杆機構推動側板滑動實現側板的展開。採用在主體板上增加側板的形式，增加了太陽電池的鋪設面積；採用兩套對稱的四連杆機構推動側板滑動展開，結構簡單，可靠度高，適合於高功率要求的太空飛行器。
文檔編號B64G1/44GK102616388SQ20111015173
公開日2012年8月1日 申請日期2011年6月8日 優先權日2011年6月8日
發明者吳嘉寧, 閻紹澤, 黃奔 申請人:清華大學