專(zhuān)利名稱(chēng)：可自旋展開(kāi)的薄膜太陽(yáng)電池陣及其在太空的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及航天器太陽(yáng)電池陣的結(jié)構(gòu)，更具體地說(shuō)是涉及航天器柔性薄膜太陽(yáng)電池陣的結(jié)構(gòu)及其收卷、展開(kāi)和控制機(jī)構(gòu)，以及薄膜電池陣在太空的應(yīng)用。
現(xiàn)有航天器大都采用太陽(yáng)能電源，太陽(yáng)能電池陣的安裝方式分為體裝式和帆板式。對(duì)日定向的太陽(yáng)電池帆板比體裝式太陽(yáng)電池陣能提供更大功率的電源。為進(jìn)一步提高太陽(yáng)能電池陣的比能量(功率與重量之比)。美國(guó)休斯公司曾采用“柔性卷式太陽(yáng)能電池帆板”(見(jiàn)《空間站和空間平臺(tái)》第396～397頁(yè))這種柔性帆板由于需要?jiǎng)傂缘纳煺箼C(jī)構(gòu)，尺寸不可能做得很大，比能量仍不夠高(47瓦/公斤)。因此“柔性卷式太陽(yáng)能電池帆板”并未被廣泛采用。
本發(fā)明的目的是實(shí)現(xiàn)一種收卷時(shí)體積很小，便于航天器攜帶升空，入軌后可在自旋狀態(tài)下有序展開(kāi)的大面積、輕質(zhì)的薄膜太陽(yáng)電池陣，并提供這種薄膜太陽(yáng)電池陣在各種航天器上的應(yīng)用方案。
本發(fā)明的實(shí)施方案如下由眾多長(zhǎng)條形的薄膜太陽(yáng)電池呈幅射狀排列成圓形或多邊形的平面陣列，相鄰薄膜電池之間用連線(xiàn)相互連接，各條薄膜電池用電纜與位于陣列中央的中軸相連，薄膜在太空依靠自旋的離心力展開(kāi)并維持其陣列形狀。薄膜電池在展開(kāi)前收卷于中軸的外表面。連接薄膜電池與中軸的電纜有兩項(xiàng)用途，一是將薄膜電池上產(chǎn)生的電流導(dǎo)入中軸，二是承受薄膜電池陣在自旋狀態(tài)下產(chǎn)生的張力。電纜的絕緣層中含有高強(qiáng)度纖維，使張力基本由纖維承擔(dān)。相鄰薄膜電池之間的連線(xiàn)為輕質(zhì)高強(qiáng)度的柔軟纜索或編織帶。
條形薄膜電池的形狀可以是長(zhǎng)寬比大于3的矩形，也可以是一端窄，另一端寬的長(zhǎng)條形，(窄的一端靠近幅射狀陣列的中央，寬的一端位于陣列的邊緣)例如扇形或梯形。各條薄膜電池的輸出端通過(guò)固定于薄膜一端(該端靠近陣列中央)的電纜連接到位于陣列中央的中軸。中軸的內(nèi)部裝有收放電纜的多個(gè)卷盤(pán)及其控制、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)。在展開(kāi)前，薄膜電池依次重疊并卷繞子中軸的外表面，安裝于中軸內(nèi)部的多個(gè)卷盤(pán)上的電纜連接各條薄膜電池。
所述的“中軸”，分為外環(huán)和內(nèi)環(huán)(有些類(lèi)似于軸承)，外環(huán)和內(nèi)環(huán)之間裝有滾輪，外環(huán)可圍繞內(nèi)環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，電纜卷盤(pán)及其控制、驅(qū)動(dòng)帆構(gòu)固定在外環(huán)內(nèi)壁。
中軸端部用可折疊的支桿連接到航天器本體。此外，也可以把中軸套在圓柱形的航天器外殼上。
如果航天器可以隨薄膜電池陣一起旋轉(zhuǎn)，那末圓柱形的航天器本體也可以作為中軸。
卷繞在中軸外面的薄膜電池可用綁帶扎緊，航天器入軌后，中軸開(kāi)始自旋(以自身的中軸線(xiàn)為軸)，綁帶在遙控指令下自動(dòng)斷開(kāi)脫落，薄膜在自旋的離心力作用下逐漸展開(kāi)，由于相鄰條形薄膜之間有線(xiàn)纜相連，從而展開(kāi)為一個(gè)平面陣列。
本發(fā)明在各種航天器上的應(yīng)用薄膜太陽(yáng)電池陣可用于各種需要大功率電源的衛(wèi)星。需要對(duì)日定向的衛(wèi)星可將中軸直接套在(圓柱形的)外殼上；需要其他定向模式(如對(duì)地定向)的衛(wèi)星可通過(guò)萬(wàn)向支架連接可折疊支桿，再通過(guò)支桿連接到中軸，這樣衛(wèi)星和薄膜太陽(yáng)電池陣就可以保持各自的定向方式。采用后一種連接方式的衛(wèi)星在發(fā)射前將折疊支桿收攏，使整個(gè)系統(tǒng)的體積保持最小。
薄膜太陽(yáng)電池陣可用于空間站建設(shè)中的國(guó)際空間站經(jīng)航天飛機(jī)多次發(fā)射才將重達(dá)幾十噸的太陽(yáng)電池翼板送入軌道，并經(jīng)航天員多次太空行走才安裝就位，目前尚未完成。而有效面積和功率都更大的薄膜太陽(yáng)電池陣，重量約1噸多，只需一次發(fā)射就可入軌并自動(dòng)展開(kāi)。
薄膜太陽(yáng)電池陣可用于太陽(yáng)能電火箭目前離子推進(jìn)器已廣泛用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道維持，美國(guó)航空航天局1998年發(fā)射的“深空1號(hào)探測(cè)器”和歐洲航天局2003年發(fā)射的“SMART-1月球探測(cè)器”都是采用離子推進(jìn)器作為末級(jí)主推發(fā)動(dòng)機(jī)的，現(xiàn)在這兩個(gè)探測(cè)器都已圓滿(mǎn)完成了實(shí)驗(yàn)計(jì)劃，證明了離子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作的可靠性。目前限制離子發(fā)動(dòng)機(jī)提高推力的瓶頸就是電力，現(xiàn)有的太陽(yáng)電池帆板的比能量太低，(約40瓦/公斤)不能提供強(qiáng)大電力，加大太陽(yáng)帆板的面積不僅會(huì)使重量大增，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也難以達(dá)到要求。而薄膜太陽(yáng)電池陣的比能量高(約為前者10倍以上)，而且薄膜電池陣是由纜索和薄膜的張力維持的(自旋的離心力產(chǎn)生張力)，能夠承受較大的沖擊力和加速度，非常適合與大功率電火前匹配。將配備薄膜電池陣的太陽(yáng)能電火箭作為末級(jí)火箭，可將大型衛(wèi)星或飛船從地球低軌道送入高軌道，以至星際空間。由于電火箭比化學(xué)火箭的“推力比”高10倍，可節(jié)約大量燃料，太陽(yáng)能電火箭作為末級(jí)，將大大降低前級(jí)火箭的重量，節(jié)約發(fā)射費(fèi)用。配備薄膜太陽(yáng)電池陣的大功率電火箭特別適于深空探測(cè)和人類(lèi)登陸月球和火星的長(zhǎng)途飛行。大功率的太陽(yáng)能電火箭還可作為軌道轉(zhuǎn)移飛行器(OTV)長(zhǎng)期運(yùn)行于地球軌道，用于改變衛(wèi)星的軌道，例如將低軌道的航天器推上高軌道，以至地球同步軌道。軌道轉(zhuǎn)移飛行器的推進(jìn)劑可由其他航天器定期補(bǔ)充。
本發(fā)明與現(xiàn)有航天器的太陽(yáng)電池陣相比具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)薄膜太陽(yáng)電池陣的單位面積重量很輕，只有傳統(tǒng)太陽(yáng)電池帆板的1/30到1/100，使航天器的發(fā)射重量大大降低，節(jié)約發(fā)射成本。
薄膜太陽(yáng)電池陣的面積可以達(dá)到傳統(tǒng)太陽(yáng)電池帆板的100倍以上，并且在發(fā)射前可以收卷成很小的體積，便于航天器攜帶升空。
薄膜電池陣產(chǎn)生的充足電力可以將電視直播衛(wèi)星和通訊衛(wèi)星的功率提高數(shù)十倍。
薄膜電池陣能承受較大的加速度和沖擊力，在航天器加速或變軌飛行中不必收攏電池陣，特別適用于太陽(yáng)能電火箭。裝備太陽(yáng)能電火箭的衛(wèi)星可大大提高衛(wèi)星的軌道維持能力和機(jī)動(dòng)能力，成倍延長(zhǎng)衛(wèi)星的使用壽命。裝備大功率太陽(yáng)能電火箭的深空探測(cè)器和飛船，可顯著提高航行速度，縮短探測(cè)周期或往返時(shí)間。


圖1、完全展開(kāi)的矩形薄膜太陽(yáng)電池陣(正面視圖)圖2、完全展開(kāi)的矩形薄膜太陽(yáng)電池陣(立體示意圖)圖3、完全展開(kāi)的扇形薄膜太陽(yáng)電池陣(正面視圖)
圖4、完全展開(kāi)的扇形薄膜太陽(yáng)電池陣(立體示意圖)圖5、薄膜電池內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿的連接示意圖。
圖6、中軸的軸側(cè)示意7、內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿在(條形薄膜電池陣)中軸表面的排列示意8、內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿在(扇形薄膜電池陣)中軸表面的排列示意9、展開(kāi)過(guò)程中的薄膜太陽(yáng)電池陣示意10、葉片傾斜的薄膜太陽(yáng)電池陣示意11、收攏狀態(tài)的傘骨結(jié)構(gòu)剖視12、內(nèi)裝傘骨的中軸外觀13、展開(kāi)狀態(tài)的傘骨結(jié)構(gòu)剖視14、裝有滑塊的外側(cè)加強(qiáng)桿剖面示意15、薄膜太陽(yáng)電池陣與航天器用支桿連接的示意16、薄膜太陽(yáng)電池陣與航天器用拖曳電纜連接的示意17、薄膜太陽(yáng)電池陣與空間站的連接示意圖1圖18、薄膜太陽(yáng)電池陣與空間站的連接示意圖2圖19、采用薄膜太陽(yáng)電池陣的太陽(yáng)能電火箭示意圖A圖19a太陽(yáng)能火箭的示意20、采用薄膜太陽(yáng)電池陣的太陽(yáng)能電火箭示意圖B以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明實(shí)施例1由矩形薄膜太陽(yáng)電池構(gòu)成的電池陣圖1所示為矩形薄膜電池構(gòu)成的電池陣完全展開(kāi)后的正面視圖，中軸(1)位于陣列的中央，薄膜太陽(yáng)電池(2)(本例總共16條)呈幅射狀排列成圓形，相鄰的薄膜電池之間由外圈連線(xiàn)(5)和內(nèi)圈連線(xiàn)(6)彼此連接，各條薄膜電池靠近陣列中央的一端分別用電纜(7)(本例總共32條)連接到陣列中央的中軸(1)上，薄膜電池(2)的兩端分別裝有外側(cè)加強(qiáng)桿(3)和內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)，用于保護(hù)薄膜電池并控制薄膜的方向。圖2為上述薄膜太陽(yáng)電池陣的立體示意圖，(數(shù)字圖標(biāo)的含意在本說(shuō)明書(shū)的所有附圖中都是一致的。圖中各部件的名稱(chēng)不再贅述。)由圖2可見(jiàn)，各條薄膜的兩根電纜在薄膜電池一端是處于同一水平面的，而到中軸一端卻處于同一垂直線(xiàn)上，大體上發(fā)生了90度的扭轉(zhuǎn)。這是由于薄膜電池陣自旋展開(kāi)后，在離心力的作用下，環(huán)形的陣列有向外擴(kuò)張的趨勢(shì)。由于外圈連線(xiàn)(5)和內(nèi)圈連線(xiàn)(6)的約束，都只能擴(kuò)大到由內(nèi)、外圈連線(xiàn)和加強(qiáng)桿的長(zhǎng)度所決定的最大半徑。電纜和內(nèi)、外圈連線(xiàn)的長(zhǎng)度、以及薄膜電池的長(zhǎng)度、寬度都必須保持一定的比例關(guān)系，所有尺度都由完全展開(kāi)后的薄膜電池陣的結(jié)構(gòu)尺寸確定。圖5是圖1的局部結(jié)構(gòu)放大圖，以便于觀察內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)與電纜(7)以及內(nèi)圈連線(xiàn)(6)的連接方式，內(nèi)圈連線(xiàn)(6)與內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)的連接點(diǎn)M、N不在桿的端部，而在離桿端部25％——30％桿長(zhǎng)度的地方，而內(nèi)圈連線(xiàn)(6)的長(zhǎng)度，為加強(qiáng)桿長(zhǎng)度的50％—60％，(這是為了使薄膜電池展開(kāi)后盡量縮小內(nèi)圈半徑，并使薄膜處于一個(gè)平面上)。薄膜電池卷繞在中軸上時(shí)，內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿平行地均勻排列在中軸外表面上。
如圖6所示中軸的外環(huán)(41)表面開(kāi)有平行于軸心的凹槽(12)，凹槽之間的角距離為2π/n弧度(n為薄膜的條數(shù))各條薄膜的內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)分別置于凹槽內(nèi)。中軸的外環(huán)(41)套在內(nèi)環(huán)(39)上，內(nèi)、外環(huán)之間安有滾輪(42)。
如圖7所示內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)平行地排列在中軸(1)的外面，內(nèi)圈連線(xiàn)(6)將相鄰的加強(qiáng)桿(4)互相連接。如果內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿彼此間的距離為a，桿的長(zhǎng)度為b，要求展開(kāi)后相鄰的內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿端部之間的距離趨近于0，則連接點(diǎn)M、N到桿端部的距離為(a2+b2)/4b，內(nèi)圈連線(xiàn)(6)的長(zhǎng)度為(a2+b2)/2b。
內(nèi)圈連線(xiàn)(6)也可以連接到相鄰內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)的端部，但須在其端部?jī)?nèi)安裝小型線(xiàn)軸及驅(qū)動(dòng)微電機(jī)，內(nèi)圈連線(xiàn)(6)卷繞在線(xiàn)軸上。在薄膜電池處于收卷狀態(tài)時(shí)，內(nèi)圈連線(xiàn)(6)露出的長(zhǎng)度略大于加強(qiáng)桿的長(zhǎng)度。薄膜電池陣展開(kāi)后，微電機(jī)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)軸將連線(xiàn)收攏，使相鄰的內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)端部距離趨近于零，從而令展開(kāi)的薄膜處于一個(gè)平面內(nèi)。通過(guò)收、放內(nèi)圈連線(xiàn)(6)可以控制葉片的傾角。
薄膜電池在中軸(1)上重疊卷繞的方式如下如圖6所示，中軸的外圈(41)的內(nèi)壁上均勻地裝有多個(gè)電纜卷盤(pán)(10)，電纜卷盤(pán)的軸上裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(11)，各卷盤(pán)上的電纜穿過(guò)外圈壁上的電纜穿孔(9)與置于凹槽(12)內(nèi)的內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)相連。中軸(1)的長(zhǎng)度為薄膜電池(2)寬度的1.02～1.1倍。薄膜電池的正面按同一方向重疊卷繞于中軸(1)上，(這種卷繞方式稱(chēng)為“同向重疊卷繞”。)卷繞完畢后用專(zhuān)用綁帶扎緊。該綁帶可由遙控信號(hào)自動(dòng)斷開(kāi)，以便薄膜自旋展開(kāi)。
圖9是上述薄膜電池陣的展開(kāi)過(guò)程示意圖；中軸(1)套在圓柱型的衛(wèi)星(26)外面，按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)(俯視觀察)，卷繞的薄膜電池(2)已部分展開(kāi)，連接相鄰薄膜電池的外圈連線(xiàn)(5)牽制著薄膜的展開(kāi)過(guò)程，使外側(cè)加強(qiáng)桿(3)由垂直逐漸傾斜。(薄膜電池完全展開(kāi)后變?yōu)樗綘顟B(tài)。)在展開(kāi)過(guò)程中，內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)由于內(nèi)圈連線(xiàn)(6)的牽拉也逐漸由垂直變?yōu)樗剑贡∧る姵匦纬梢粋€(gè)幅射狀的平面陣列。由于外圈連線(xiàn)(5)較長(zhǎng)，在薄膜展開(kāi)前，部分連線(xiàn)可以盤(pán)卷在外側(cè)加強(qiáng)桿(3)的內(nèi)部，在展開(kāi)過(guò)程中逐漸被拉出。
由上述展開(kāi)過(guò)程可知，在薄膜太陽(yáng)電池陣未完全展開(kāi)時(shí)，所有薄膜都是傾斜的，(類(lèi)似于風(fēng)車(chē)的葉片)。因此可以利用這-特征控制葉片(即薄膜電池，下同。)的傾斜角度電纜(7)被收卷得越短，葉片的傾角越大。圖10為葉片傾斜的薄膜電池陣的示意圖，由于電纜(7)被收短，陣列半徑縮小，薄膜電池陣的內(nèi)圈(由內(nèi)圈連線(xiàn)(6)和內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)所構(gòu)成)和外圈(由外圈連線(xiàn)(5)和外側(cè)加強(qiáng)桿(3)所構(gòu)成)變松弛，在電纜垂直分力的牽拉下，內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿和外側(cè)加強(qiáng)桿都發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而使葉片傾斜。傾斜的葉片由于太陽(yáng)光壓的作用，會(huì)對(duì)薄膜電池陣產(chǎn)生微弱的扭矩，從而改變薄膜電池陣的自旋速度。航天器在地球軌道長(zhǎng)期運(yùn)行，空間的微阻力(包括低軌道的氣動(dòng)阻力，重力梯度、太陽(yáng)幅射等)會(huì)使自旋的航天器轉(zhuǎn)速慢慢下降，需要定期啟動(dòng)姿控火箭加旋。利用光壓使巨大的薄膜電池陣維持自旋轉(zhuǎn)速，節(jié)約了火箭燃料，從而可以長(zhǎng)期在空間運(yùn)行。
在700公里以下的地球低軌道，稀薄大氣的阻力作用大于光壓的作用，葉片傾斜的薄膜太陽(yáng)電池陣就像真正的風(fēng)車(chē)一樣，依靠稀薄氣流的作用加旋。安裝于中軸(1)內(nèi)的電纜卷盤(pán)(10)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)(11)不僅可以通過(guò)收、放電纜來(lái)控制葉片的傾角，還可以通過(guò)對(duì)部分電纜的收、放來(lái)調(diào)節(jié)薄膜太陽(yáng)電池陣的重心位置，使其與中軸的軸心重合，從而避免因電池陣的自旋運(yùn)動(dòng)對(duì)航天器產(chǎn)生干擾。
圖1所示的薄膜太陽(yáng)電池陣列，如果其直徑為30米，則按圖中比例，每條薄膜長(zhǎng)10米，寬2米，面積20米2，16條薄膜電池面積共320米2。中軸的直徑為1米，長(zhǎng)2.1米，電纜長(zhǎng)度為4.8米。以下?lián)擞?jì)算這個(gè)薄膜電池陣的重量中軸(1)外徑1米，壁厚3厘米，由碳纖維復(fù)合材料制成的蜂窩結(jié)構(gòu)組成，重19.2公斤；電纜芯線(xiàn)為截面積4mm2的多股鋁線(xiàn)，外皮絕緣層中植入了高強(qiáng)度纖維，32條電纜總重2.5公斤；薄膜電池每平米重150克，總面積320米2，總重48公斤；加強(qiáng)桿直徑3厘米，長(zhǎng)2米，為碳纖維加強(qiáng)的薄壁空心管，每根重280克，32根總重9公斤；電纜卷盤(pán)和微電機(jī)每套400克，32套總重12.8公斤。薄膜電池陣的所有部件合計(jì)總重91.5公斤。外層空間每平米太陽(yáng)幅射功率按1.3KW計(jì)，薄膜電池效率為10％，電池的有效面積為90％，則320米2薄膜電池的發(fā)電功率為37.44KW。薄膜電池陣的比能量為409w/公斤。比傳統(tǒng)帆板式太陽(yáng)能電池陣高10倍以上。一個(gè)直徑為100米的薄膜太陽(yáng)電池陣，電池總面積為3555平方米，發(fā)電功率達(dá)416KW，總重1.2噸，用火箭一次即可發(fā)射入軌并自動(dòng)展開(kāi)。(國(guó)際空間站完全建成后，其巨大的太陽(yáng)電池陣總功率也只有200多KW，重達(dá)50噸以上。)直徑100米左右的薄膜太陽(yáng)電池陣還是中等規(guī)模的，直徑500米以上才能算是大規(guī)模的，也能夠一次發(fā)射入軌并自動(dòng)展開(kāi)，其功率可達(dá)1萬(wàn)KW以上。薄膜電池陣的直徑越大，薄膜的條數(shù)越多，薄膜數(shù)量一般為6～60條。薄膜電池陣的直徑為nb/π+2L，(其中n為薄膜的條數(shù)，b為薄膜的寬度，L為薄膜的長(zhǎng)度)。由于薄膜卷繞在中軸上，其寬度必須略小于中軸的長(zhǎng)度，而中軸的長(zhǎng)度一般不能超過(guò)15米，所以加大薄膜電池陣的面積主要靠增加薄膜的數(shù)量和薄膜的長(zhǎng)度。
實(shí)施例2 由扇形薄膜電池構(gòu)成的電池陣圖3所示為扇形薄膜電池構(gòu)成的電池陣完全展開(kāi)后的正面視圖扇形薄膜太陽(yáng)電池(8)呈幅射狀排列成圓形，相鄰薄膜電池由外圈連線(xiàn)(5)和內(nèi)圈連線(xiàn)(6)相連，薄膜電池靠近陣列中央的一端裝有內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)，加強(qiáng)桿的兩端由電纜(7)連接到陣列中央的中軸(1)。(由于相鄰的兩根內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿端部距離很近，分別由兩個(gè)端部引出的電纜合為一股，形成圖3中所示的y形連接電纜。)圖4為扇形薄膜電池陣完全展開(kāi)后的立體示意圖與矩形薄膜電池陣明顯不同的是，電纜(7)與薄膜電池完全在一個(gè)平面內(nèi)，因此薄膜電池的傾角無(wú)法調(diào)節(jié)，也就無(wú)法利用光壓或稀薄氣流提高自旋速度。這種薄膜電池陣在收卷狀態(tài)時(shí)，其疊繞方法也與矩形薄膜電池陣不同矩形薄膜電池陣是采用“同向重疊方式”卷繞，而扇形薄膜電池陣是采用“反向重疊方式”卷繞，即薄膜電池一正一反地重疊卷繞在中軸上。(類(lèi)似于折扇的折疊方式)。扇形薄膜電池陣處于收卷狀態(tài)時(shí)，其內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)在中軸(1)上的排列如圖8所示內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿的長(zhǎng)度明顯短于中軸(1)的長(zhǎng)度(因?yàn)橹休S的長(zhǎng)度必須大于等于扇形薄膜的最大寬度。)電纜(7)穿過(guò)中軸壁上的電纜穿孔(9)分別連接到相鄰的兩根加強(qiáng)桿的端部。扇形薄膜電池陣的優(yōu)點(diǎn)是，與相同電池面積的矩形薄膜電池陣相比，扇形電池陣的半徑較小，所需電纜卷盤(pán)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的數(shù)量也少一半。但扇形薄膜電池陣只適用于中、小規(guī)模。
對(duì)于要求不高的小規(guī)模薄膜太陽(yáng)電池陣，也可以取消電纜卷盤(pán)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)，將電纜與薄膜電池一起卷繞在中軸的外表面。(但這樣就無(wú)法調(diào)節(jié)葉片傾角和電池陣重心了)。
實(shí)施例3縮小中軸直徑的方案在多數(shù)情況下，中軸并不是航天器的主體，為了縮小薄膜電池陣收卷時(shí)的體積，便于航天器攜帶升空，應(yīng)盡量減小中軸的直徑。而中軸直徑小于展開(kāi)后的薄膜電池陣的直徑的5％時(shí)，對(duì)薄膜電池陣的控制作用很弱，為了解決這一問(wèn)題，可在中軸內(nèi)部采用一種類(lèi)似傘骨架的結(jié)構(gòu)，如圖11所示中軸(43)外部為細(xì)長(zhǎng)的圓柱形殼體，傘柱(44)貫穿中軸(43)的中心，在其端部裝有上盤(pán)(18)，傘骨(19)與上盤(pán)(18)通過(guò)鉸鏈連接，而電纜卷盤(pán)(10)就套在鉸鏈的軸上。傘骨(19)是用碳纖維復(fù)合材料制成的空心管，電纜(7)從電纜卷盤(pán)(10)上穿入中空的傘骨(19)內(nèi)，從傘骨另一端穿出。撐桿(17)的一端通過(guò)鉸鏈(14)連接傘骨(19)，另一端通過(guò)鉸鏈連接到下盤(pán)(15)，下盤(pán)(15)套在傘柱(44)上，可沿傘柱上下滑動(dòng)。
在傘柱(44)兩端，上、下對(duì)稱(chēng)地安裝著兩付傘骨架，分別控制著n條電纜(n為薄膜電池的條數(shù))。為了使傘骨能夠撐開(kāi)，在中軸(43)壁上平行于母線(xiàn)開(kāi)了2n條狹縫(上、下各n條)，如圖12所示，狹縫(16)均勻地分布于中軸上，與凹槽(12)的位置重合。當(dāng)薄膜電池全部展開(kāi)，內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)也開(kāi)始脫離中軸表面時(shí)，下盤(pán)(15)開(kāi)始向上推動(dòng)(下部傘骨架的下盤(pán)向下推動(dòng))通過(guò)撐桿(17)和鉸鏈(14)撐開(kāi)傘骨(19)，傘骨完全撐開(kāi)后如圖13所示。傘骨(19)垂直于傘柱(44)形成幅射狀的傘骨陣列，其直徑為中軸直徑的好幾倍，大大加強(qiáng)了對(duì)薄膜陣列的控制作用。
實(shí)施例4葉片可翻轉(zhuǎn)的薄膜太陽(yáng)電池陣由于太陽(yáng)能電火箭運(yùn)動(dòng)方向的變化，太陽(yáng)能電池陣有可能背對(duì)陽(yáng)光。如果太陽(yáng)能電池陣的葉片能夠翻轉(zhuǎn)則可圓滿(mǎn)解決這一問(wèn)題，為此，只需將薄膜電池的內(nèi)圈連線(xiàn)(6)和外圈連線(xiàn)(5)與加強(qiáng)桿的固定式連接改為可移動(dòng)式連接。
圖(14)為連接點(diǎn)可移動(dòng)的外加強(qiáng)桿剖面示意圖外側(cè)加強(qiáng)桿(3)內(nèi)部上端安裝了微電機(jī)(20)和驅(qū)動(dòng)輪(21)，在桿下端裝有滑輪(25)，在驅(qū)動(dòng)輪(21)和滑輪(25)上套有牽引索(22)，兩個(gè)滑塊(23)分別固定于牽引索(22)上，滑塊(23)可在桿左、右兩側(cè)的滑槽(24)內(nèi)滑動(dòng)，滑塊上連接著外圈連線(xiàn)(5)。微電機(jī)(20)在遙控信號(hào)下，通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪(21)和牽引索(22)控制滑塊(23)在桿上滑動(dòng)。內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)與內(nèi)圈連線(xiàn)(6)也是采用可移動(dòng)的連接方式，與外側(cè)加強(qiáng)桿(3)的結(jié)構(gòu)基本相同。展開(kāi)后的薄膜電池陣在遙控指令下，所有內(nèi)、外圈連線(xiàn)同時(shí)從加強(qiáng)桿的一端滑到另一端，薄膜電池陣的所有葉片就完成了180度翻轉(zhuǎn)(在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中陣列的半徑會(huì)縮小，然后再?gòu)?fù)原，在這一過(guò)程中，電纜應(yīng)適當(dāng)收短再還原。如果薄膜電池陣的各葉片依次翻轉(zhuǎn)，則翻轉(zhuǎn)過(guò)程中陣列半徑的變化就很小。)上述葉片翻轉(zhuǎn)的模式只適用于條形薄膜電池陣。
實(shí)施例5薄膜太陽(yáng)電池陣與衛(wèi)星的連接方案(A)中軸套接方案如圖9所示，中軸(1)套在圓柱形衛(wèi)星(26)的外殼上，薄膜電池陣圍繞衛(wèi)星展開(kāi)，衛(wèi)星保持相對(duì)靜止。這種連接方式只適用于對(duì)日定向的衛(wèi)星。
(B)萬(wàn)向支架連接方案如圖15所示，衛(wèi)星(26)通過(guò)萬(wàn)向支架(27)和可折疊的支桿(13)連接到薄膜電池陣的中軸(43)的端部。萬(wàn)向支架(27)的形狀像一個(gè)U形的叉子，U形的兩端用轉(zhuǎn)軸(28)與衛(wèi)星相連，衛(wèi)星(26)可在萬(wàn)向支架端部的軸上自由轉(zhuǎn)動(dòng)，而萬(wàn)向支架連同衛(wèi)星一起以支桿(13)為軸心轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣衛(wèi)星就可以獨(dú)立選擇任意定向方式，而薄膜電池陣可以保持對(duì)日定向。兩段支桿間以及支桿與中軸(43)端部之間用兩自由度的關(guān)節(jié)(29)相連，關(guān)節(jié)(29)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度是可控的。(內(nèi)部裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)。)(C)電纜拖曳式連接方案如圖16所示，衛(wèi)星(26)通過(guò)萬(wàn)向支架(27)和拖曳電纜(30)連接到薄膜電池陣中軸(43)的端部。太陽(yáng)的光壓使薄膜電池陣漂泊于衛(wèi)星背陽(yáng)的-側(cè)，這種衛(wèi)星與薄膜太陽(yáng)電池陣的拖曳式連接方式，只適用于700公里以上的地球軌道。(700公里以下的低軌道，稀薄大氣的阻力大于光壓的作用力。)實(shí)施例6，薄膜太陽(yáng)電池陣與空間站的連接方案。
(A)主梁端部連接方案如圖17所示，空間站的主梁(32)由桁架構(gòu)成，主梁的一端通過(guò)支桿(13)連接到薄膜太陽(yáng)電池陣(36)中央的中軸(43)端部，多個(gè)太空倉(cāng)(34)安裝于橫梁(37)上，橫梁(37)通過(guò)主梁套筒(38)連接接到主梁桁架上。橫梁(37)可繞自身的軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)；主梁套筒(38)可繞主梁的軸線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)橫梁(37)繞主梁轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣，安裝于橫梁上的太空倉(cāng)就可以采用任何定向方式。圖中(31)為安裝于太空倉(cāng)上的天線(xiàn)，(33)為太空倉(cāng)的對(duì)接口，(35)為安裝于橫梁上的熟幅射板。
(B)主梁中部連接方案如圖18所示，薄膜太陽(yáng)電池陣(36)連接于空間站主梁(32)的中段，薄膜太陽(yáng)電池陣的中軸(1)套裝在主梁中段，中軸的內(nèi)環(huán)(39)固定在主梁上。太空倉(cāng)(34)安裝于主梁兩側(cè)的橫梁(37)上。主梁(32)和薄膜電池陣對(duì)日定向，安裝于橫梁(37)上的太空倉(cāng)可根據(jù)需要采取任何定向方式。
實(shí)施例7薄膜電池陣與電火箭的連接方案。
(A)中軸套接方案如圖19所示，薄膜電池陣(36)的中軸(1)套裝在電火箭(40)圓柱形的箭身上，薄膜電池陣中軸的這種安裝方式?jīng)Q定了薄膜太陽(yáng)電池陣所在的平面垂直于電火箭的軸心，不能自由選擇定向，當(dāng)電火箭背向太陽(yáng)飛行時(shí)，陣列正面將背對(duì)陽(yáng)光，因此應(yīng)采用實(shí)施例4所述的“葉片可翻轉(zhuǎn)的薄膜太陽(yáng)電池陣”。圖19a為圖19中電火箭的放大圖圖中(40)為電火箭，中軸(1)套在電火箭的外殼上。
(B)支桿連接方案如圖20所示，電火箭(40)與薄膜太陽(yáng)電池陣(36)通過(guò)可折疊支桿(13)相連，這樣兩者可以采用不同的定向方式，使薄膜太陽(yáng)電池陣能夠以最佳角度接受陽(yáng)光。在太陽(yáng)能電火箭直線(xiàn)飛行時(shí)，要求電火箭推力的作用線(xiàn)穿過(guò)整個(gè)航天器系統(tǒng)的質(zhì)心。
由于航天器在太空飛行沒(méi)有空氣阻力，因此航天器和電火箭的形狀不受限制，太陽(yáng)能電火箭就像擎著一把巨大的陽(yáng)傘在太空飛馳。太陽(yáng)能電火箭是作為多級(jí)火箭的末級(jí)使用的，進(jìn)入地球低軌道后，前級(jí)火箭脫落，薄膜太陽(yáng)電池自旋展開(kāi)，電火箭啟動(dòng)，將航天器推上高軌道，或者脫離地球進(jìn)行星際旅行。
如果太陽(yáng)能電火箭的推力為30牛頓，系統(tǒng)(包括電火箭、有效載荷以及薄膜太陽(yáng)電池陣)總體質(zhì)量為10噸，電火箭啟動(dòng)累計(jì)工作13天后，火箭系統(tǒng)就可從入軌時(shí)的第一宇宙速度(7.9公里/秒)加速到第2宇宙速度(11.2公里/秒)即可以脫離地球引力范圍。(在這之前則可達(dá)到地球靜止軌道所需的速度。)太陽(yáng)能電火箭累計(jì)工作34天后，系統(tǒng)可達(dá)到17公里/秒以上的速度。以這一速度飛往火星可以使往返時(shí)間由兩年左右縮短為幾個(gè)月，并且電火箭所需攜帶的推進(jìn)劑只有化學(xué)火箭的1/10左右。
薄膜電池陣的結(jié)構(gòu)及收卷和展開(kāi)模式也可用于航天器的大尺度天線(xiàn)。
采用高反射率的漫反射薄膜材料，代替薄膜電池陣的大部分薄膜電池，可制成高亮度的人造月亮，仍可采用電推進(jìn)器進(jìn)行軌道維持和姿態(tài)控制。
薄膜電池陣巳在地面上作過(guò)小規(guī)模試驗(yàn)，成功地將收卷狀態(tài)的薄膜電池自旋展開(kāi)為圓形平面陣列，并長(zhǎng)期保持穩(wěn)定，由于存在空氣阻力和重力，使得試驗(yàn)的薄膜陣列的直徑不可能很大。太空微重力高真空的環(huán)境非常有利于大規(guī)模陣列的展開(kāi)，沒(méi)有空氣阻力和重力的干擾，收卷的薄膜電池陣以很低的自旋轉(zhuǎn)速就能夠平穩(wěn)有序地展開(kāi)。
以上實(shí)施例結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作了詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明不限于這些具體實(shí)施例，任何對(duì)本發(fā)明總構(gòu)思所作的技術(shù)方案變換和修改，都不脫離本發(fā)明的總構(gòu)思和權(quán)利要求范圍。
權(quán)利要求
1.可自旋展開(kāi)的薄膜太陽(yáng)電池陣由薄膜太陽(yáng)電池、電纜、中軸以及連線(xiàn)所組成，其特征在于由眾多長(zhǎng)條形的薄膜太陽(yáng)電池呈幅射狀排列成圓形或多邊形的平面陣列，相鄰薄膜電池之間用連線(xiàn)相互連接，各條薄膜電池用電纜與位于陣列中央的中軸相連，薄膜在太空依靠自旋的離心力展開(kāi)并維持其陣列形狀，在展開(kāi)前薄膜電池收卷于中軸的外表面；薄膜太陽(yáng)電池陣應(yīng)用于各種航天器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣，其特征在于薄膜電池(2)為長(zhǎng)寬比大于3的矩形薄膜電池，薄膜電池(2)處于陣列邊緣的一端裝有外側(cè)加強(qiáng)桿(3)，外圈連線(xiàn)(5)連接相鄰的外側(cè)加強(qiáng)桿(3)的端部；薄膜電池(2)靠近陣列中央的一端裝有內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)，內(nèi)圈連線(xiàn)(6)與內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)的連接點(diǎn)M、N分別到內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿兩端的距離為桿長(zhǎng)的25％—30％，內(nèi)圈連線(xiàn)(6)的長(zhǎng)度為桿長(zhǎng)的50％—60％。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣，其特征在于內(nèi)環(huán)連線(xiàn)(6)可以連接于內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)的端部，在該加強(qiáng)桿內(nèi)，靠近端部設(shè)有小型線(xiàn)軸和驅(qū)動(dòng)微電機(jī)，當(dāng)薄膜電池陣展開(kāi)后，微電機(jī)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)軸將內(nèi)圈連線(xiàn)(6)收進(jìn)加強(qiáng)桿內(nèi)，使相鄰的內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)端部彼此靠攏；改變內(nèi)圈連線(xiàn)(6)的長(zhǎng)度可控制薄膜電池的傾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣，其特征在于薄膜電池陣的中軸(1)分為外環(huán)(41)和內(nèi)環(huán)(39)，內(nèi)、外環(huán)之間的滾輪(42)、電纜卷盤(pán)(10)及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)(11)安裝于外環(huán)(41)的內(nèi)壁上，外環(huán)(41)的外壁上留有平行于軸心的凹槽(12)，凹槽之間的角距離為2π/n(n為薄膜的條數(shù))，外壁上還設(shè)有多個(gè)電纜穿孔(9)，中軸(1)的長(zhǎng)度大于薄膜電池(2)的寬度；薄膜電池(2)卷繞于中軸上時(shí)，其內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)置于中軸表面的凹槽(12)內(nèi)，與內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿連接的電纜(7)穿過(guò)中軸上電纜穿孔(9)卷繞于電纜卷盤(pán)(10)上；薄膜電池(2)的正面朝同一方向重疊卷繞于中軸的外面；薄膜電池(2)自旋展開(kāi)后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)(11)通過(guò)電纜卷盤(pán)(10)調(diào)節(jié)電纜(7)的長(zhǎng)度，從而控制薄膜電池陣葉片的傾角和電池陣的重心。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣，其特征在于薄膜電池陣的中軸(43)外部為圓柱形的殼體，傘柱(44)貫穿中軸(43)的中心，傘柱(44)兩端上、下對(duì)稱(chēng)地裝有兩套傘骨架，電纜(7)穿過(guò)中空的傘骨(19)連接于薄膜電池(2)的內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)，中軸(44)殼壁的上、下各開(kāi)有n條狹縫(16)，以便撐開(kāi)傘骨架。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣，其特征在于扇形薄膜太陽(yáng)電池(8)呈幅射狀排列成圓形，相鄰薄膜電池由外圈連線(xiàn)(5)和內(nèi)圈連線(xiàn)(6)相連，薄膜電池靠近陣列中央的一端裝有內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)，加強(qiáng)桿的兩端由電纜(7)連接到陣列中央的中軸(1)；在收卷狀態(tài)下，扇形薄膜電池(8)一正一反重疊卷繞于中軸(1)上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣，其特征在于薄膜電池(2)的外側(cè)加強(qiáng)桿(3)和內(nèi)側(cè)加強(qiáng)桿(4)上設(shè)有滑塊(23)，內(nèi)圈連線(xiàn)(6)和外圈連線(xiàn)(5)分別與內(nèi)、外加強(qiáng)桿上的滑塊相連，在微電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，滑塊從加強(qiáng)桿的一端滑向另一端，從而實(shí)現(xiàn)薄膜電池的翻轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣應(yīng)用于航天器，其特征在于中軸(1)套在圓柱形的航天器(衛(wèi)星或電火箭)上，薄膜電池陣圍繞航天器展開(kāi)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣應(yīng)用于航天器，其特征在于薄膜電池陣的中軸(43)通過(guò)支桿(13)和萬(wàn)向支架(27)連接到衛(wèi)星(26)，支架(27)為U形叉狀，U形的兩端用轉(zhuǎn)軸與衛(wèi)星相連。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣應(yīng)用于航天器，其特征在于薄膜電池陣中軸(43)的端部通過(guò)拖曳電纜(30)和萬(wàn)向支架(27)連接到衛(wèi)星(26)，薄膜電池陣漂泊于衛(wèi)星背陽(yáng)的一側(cè)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣應(yīng)用于航天器，其特征在于空間站主梁(32)的一端通過(guò)支桿(13)連接到薄膜太陽(yáng)電池陣(36)的中軸(43)端部，太空倉(cāng)(34)安裝于可繞主梁(32)轉(zhuǎn)動(dòng)的橫梁(37)上。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣應(yīng)用于航天器，其特征在于薄膜太陽(yáng)電池陣(36)的中軸(1)套裝在空間站主梁(32)上，中軸(1)的內(nèi)環(huán)(39)固定于主梁，太空倉(cāng)(34)安裝于可繞主梁(32)轉(zhuǎn)動(dòng)的橫梁(37)上。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣應(yīng)用于航天器，其特征在于薄膜電池陣(36)的中軸(43)的一端通過(guò)支桿(13)連接到電火箭(40)，電火箭推力的作用線(xiàn)穿過(guò)整個(gè)航天器系統(tǒng)的質(zhì)心。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜太陽(yáng)電池陣應(yīng)用于航天器，其特征在于采用高反射率的漫反射薄膜材料代替薄膜太陽(yáng)電池陣的大部分薄膜電池，可制成高亮度的人造月亮。
全文摘要
薄膜太陽(yáng)電池陣由條形的薄膜太陽(yáng)電池呈輻射狀排列成圓形或多邊形的平面陣列，相鄰薄膜電池之間用線(xiàn)纜相互連接，各條薄膜電池用電纜與位于陣列中央的中軸相連，薄膜在太空依靠自旋的離心力展開(kāi)并維持其陣列形狀，薄膜電池在展開(kāi)前收卷于中軸的外表面。薄膜電池陣單位面積的重量為目前太陽(yáng)電池帆板的幾十分之一，可用于各種衛(wèi)星、空間站和太陽(yáng)能火箭。能成倍降低發(fā)射成本，提高航天器的供電功率，延長(zhǎng)使用壽命。
文檔編號(hào)H02N6/00GK101013732SQ20071000685
公開(kāi)日2007年8月8日 申請(qǐng)日期2007年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月31日
發(fā)明者黃上立 申請(qǐng)人:黃上立