專利名稱：三維桁架式可在軌維修充氣展開太陽帆板的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種可在軌維修充氣展開太陽帆板，屬于航天技術(shù)領域。
背景技術(shù)：
太陽能帆板是空間站等載人航天器的重要部件，其將收集到的太陽輻射能量轉(zhuǎn)化 為電能，為航天器提供電力支持?？臻g環(huán)境極其復雜，高真空、強紫外線、原子氧、“冷黑”以 及存在的大量微流星和空間碎片，使太陽電池片在軌運行時出現(xiàn)損壞或老化的問題，這就 需要對其進行更換和維修。傳統(tǒng)的做法是由宇航員對有部分電池片損壞或老化的太陽帆板 進行整體更換，而有些情況下?lián)p壞只是一小部分，整體更換會造成資源的浪費，加之太陽帆 板展開后尺寸很大，宇航員需要在空間環(huán)境中行走很遠的距離才能對其進行更換，更換難 度大，而且對宇航員的生命安全造成威脅。空間環(huán)境的復雜性不利于這項工作的實施，它不 僅威脅著宇航員的生命安全，而且在更換的過程中也影響著空間飛行器的穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種三維桁架式可在軌維修充氣展開太陽帆板，以解決太陽 帆板在軌運行出現(xiàn)部分電池片或電池基板損壞或老化時，宇航員需要在空間環(huán)境中行走很 遠的距離才能對有損壞或已經(jīng)老化的太陽帆板進行整體更換，造成資源的浪費，且對宇航 員的生命安全造成威脅問題。本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明的太陽帆板包括充氣展開 三維桁架、多塊太陽電池基板、三根第一導線、三個第一接盤、三個第二接盤、三根第一充氣 導管、三個第一控制閥、兩個三角形支撐板、兩根導向管、兩根第二導線、兩個第二控制閥、 兩根第二充氣導管和四個第三接盤；本發(fā)明的太陽帆板還包括捕獲板、兩根電動拉繩、多根 連接繩和多個第二勵磁線圈；充氣展開三維桁架由多個充氣展開三維桁架單元依次首尾連 通構(gòu)成，位于充氣展開三維桁架首端的充氣展開三維桁架單元的三根主支撐管的首端各分 別固裝有一個第一接盤，位于充氣展開三維桁架尾端的充氣展開三維桁架單元的三根主支 撐管的尾端各分別固裝有一個第二接盤，充氣展開三維桁架的首端和尾端各分別設置有一 個三角形支撐板，充氣展開三維桁架通過三個第一接盤和三個第二接盤與相應的三角形支 撐板固接，三根第一導線與三個第一接盤一一對應設置，每根第一導線穿過相應的三角形 支撐板、第一接盤與主支撐管的電加熱層連接，第一導線的兩端設置在該三角形支撐板的 外面，三根第一充氣導管與三個第一接盤一一對應設置，每根第一充氣導管的一端穿過相 應的三角形支撐板、第一接盤與主支撐管連通，每根第一充氣導管上裝有一個第一控制閥， 每根第一充氣導管的另一端設置在該三角形支撐板的外面，兩根導向管設置在兩個三角形 支撐板之間，兩根導向管與充氣展開三維桁架平行設置，且兩根導向管位于充氣展開三維 桁架的任意一側(cè)平面的外側(cè)，每根導向管的兩端各分別通過一個第三接盤與相應的三角形 支撐板固接，兩根第二導線與兩根導向管一一對應設置，每根第二導線穿過相應的三角形 支撐板、第三接盤與導向管的電加熱層連接，第二導線的兩端與第一導線的兩端同側(cè)設置，兩根第二充氣導管與三根第一充氣導管同側(cè)設置，兩根第二充氣導管與兩根導向管一一對 應設置，每根第二充氣導管的一端穿過相應的三角形支撐板、第三接盤與導向管連通，每根 第二充氣導管上裝有一個第二控制閥，每個充氣展開三維桁架單元與兩根導向管相鄰的一 側(cè)平面內(nèi)設置有一個太陽電池基板，且該太陽電池基板與其所在的充氣展開三維桁架單元 的兩根主支撐管連接，每塊太陽電池基板由電池薄板、支撐結(jié)構(gòu)板和多個第一勵磁線圈組 成；電池薄板通過支撐結(jié)構(gòu)板支撐，支撐結(jié)構(gòu)板上加工有多個第一安裝孔，每個第一安裝孔 內(nèi)固裝有一個第一勵磁線圈，電池薄板由永磁材料制成，電池薄板和支撐結(jié)構(gòu)板靠磁力吸 引到一起，捕獲板設置在多個太陽電池基板的外側(cè)，捕獲板的兩個連接端分別與多根連接 繩的兩端連接，多根連接繩環(huán)套在兩根導向管上，環(huán)套在每根導向管上的多根連接繩通過 一根電動拉繩連接，捕獲板上加工有多個第二安裝孔，每個第二安裝孔內(nèi)固裝有一個第二 勵磁線圈，主支撐管、斜拉管、副支撐管和導向管均為可剛化柔性充氣展開管。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明采用三維結(jié)構(gòu)，可滿足100 IIf以上的太陽帆板結(jié)構(gòu) 剛度的要求，提高了振動基頻。此外，本發(fā)明能夠在軌進行單塊太陽電池板維修更換，更換 方法簡單、方便，易于實施。本發(fā)明能自動實現(xiàn)太陽電池基板的轉(zhuǎn)移，并能夠?qū)⑿枰鼡Q的 特定的太陽電池基板轉(zhuǎn)移到航天員方便更換的固定端，不僅可大大減少航天員在軌更換的 工作量，同時還保障了宇航員的生命安全。


圖1是本發(fā)明的充氣展開三維桁架與太陽電池基板裝配在一起的軸測圖，圖2 是充氣展開三維桁架的軸測圖，圖3是三維桁架單元的軸測圖(圖中表示了兩個三維桁架 單元)，圖4是本發(fā)明的三維桁架式可在軌維修充氣展開太陽帆板的軸測圖(為表示清楚， 太陽電池基板未畫出)，圖5是太陽電池基板通過可剛化柔性復合材料布與主支撐管連接的 軸測圖，圖6是太陽電池基板的軸測圖，圖7是電池薄板的軸測圖，圖8是支撐結(jié)構(gòu)板的軸 測圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖1-圖8說明，本實施方式的太陽帆板包括充氣展開三維 桁架、多塊太陽電池基板1、三根第一導線2、三個第一接盤3、三個第二接盤4、三根第一充 氣導管5、三個第一控制閥8、兩個三角形支撐板6、兩根導向管7、兩根第二導線12、兩個第 二控制閥16、兩根第二充氣導管15和四個第三接盤13 ；本實施方式的太陽帆板還包括捕 獲板9、兩根電動拉繩10、多根連接繩11和多個第二勵磁線圈20 ；充氣展開三維桁架由多 個充氣展開三維桁架單元依次首尾連通構(gòu)成，位于充氣展開三維桁架首端的充氣展開三維 桁架單元的三根主支撐管14的首端各分別固裝有一個第一接盤3，位于充氣展開三維桁架 尾端的充氣展開三維桁架單元的三根主支撐管14的尾端各分別固裝有一個第二接盤4，充 氣展開三維桁架的首端和尾端各分別設置有一個三角形支撐板6，充氣展開三維桁架通過 三個第一接盤3和三個第二接盤4與相應的三角形支撐板6固接，三根第一導線2與三個 第一接盤3 —一對應設置，每根第一導線2穿過相應的三角形支撐板6、第一接盤3與主支 撐管14的電加熱層連接，第一導線2的兩端設置在該三角形支撐板6的外面，三根第一充 氣導管5與三個第一接盤3 —一對應設置，每根第一充氣導管5的一端穿過相應的三角形支撐板6、第一接盤3與主支撐管14連通，每根第一充氣導管5上裝有一個第一控制閥8， 每根第一充氣導管5的另一端設置在該三角形支撐板6的外面，兩根導向管7設置在兩個 三角形支撐板6之間，兩根導向管7與充氣展開三維桁架平行設置，且兩根導向管7位于充 氣展開三維桁架的任意一側(cè)平面的外側(cè)，每根導向管7的兩端各分別通過一個第三接盤13 與相應的三角形支撐板6固接，兩根第二導線12與兩根導向管7 —一對應設置，每根第二 導線12穿過相應的三角形支撐板6、第三接盤13與導向管7的電加熱層連接，第二導線12 的兩端與第一導線2的兩端同側(cè)設置，兩根第二充氣導管15與三根第一充氣導管5同側(cè)設 置，兩根第二充氣導管15與兩根導向管7 —一對應設置，每根第二充氣導管15的一端穿過 相應的三角形支撐板6、第三接盤13與導向管7連通，每根第二充氣導管15上裝有一個第 二控制閥16，每個充氣展開三維桁架單元與兩根導向管7相鄰的一側(cè)平面內(nèi)設置有一個太 陽電池基板1，且該太陽電池基板1與其所在的充氣展開三維桁架單元的兩根主支撐管14 連接，每塊太陽電池基板1包括電池薄板17、支撐結(jié)構(gòu)板18和多個第一勵磁線圈19 ；電池 薄板17通過支撐結(jié)構(gòu)板18支撐，支撐結(jié)構(gòu)板18上加工有多個第一安裝孔，每個第一安裝 孔內(nèi)固裝有一個第一勵磁線圈19，電池薄板17由永磁材料制成，電池薄板17和支撐結(jié)構(gòu)板 18靠磁力吸引到一起，捕獲板9設置在多個太陽電池基板1的外側(cè)，捕獲板9的兩個連接端 分別與多根連接繩11的兩端連接，多根連接繩11環(huán)套在兩根導向管7上，環(huán)套在每根導向 管7上的多根連接繩11通過一根電動拉繩10連接，捕獲板9上加工有多個第二安裝孔，每 個第二安裝孔內(nèi)固裝有一個第二勵磁線圈20，主支撐管14、斜拉管22、副支撐管23和導向 管7均為可剛化柔性充氣展開管。
具體實施方式
二 結(jié)合圖1-圖4說明，本實施方式的每個充氣展開三維桁架單元 包括三角形支撐架21、三根主支撐管14和三根斜拉管22 ；三角形支撐架21包括三根副支 撐管23和三個六通連接管件24 ；每個六通連接管件24上設有兩個主通管口 25、兩個副通 管口 26和兩個斜拉管口 27，兩個主通管口 25沿充氣展開三維桁架的軸向同軸設置，三個 六通連接管件24呈三角形布置，三根主支撐管14與三個六通連接管件24 —一對應設置， 每根主支撐管14的尾端固裝在相應的主通管口 25內(nèi)，相鄰兩個六通連接管件24之間設置 有一根副支撐管23，每根副支撐管23的兩端分別固裝在相應的副通管口 26內(nèi)，每個充氣 展開三維桁架單元的三個側(cè)面內(nèi)各分別設置有一根斜拉管22，且該斜拉管22設置在其所 在側(cè)面的任意一個角平分線上，每根斜拉管22的尾端固裝在相應的斜拉管口 27內(nèi)；每根主 支撐管14的首端固裝在與其相鄰的前一個六通連接管件24的主通管口 25內(nèi)，每根斜拉管 22的首端固裝在與其相鄰的前一個六通連接管件24相應的斜拉管口 27內(nèi)。如此設置，結(jié) 構(gòu)簡單，易于裝配。其它與具體實施方式
一相同。
具體實施方式
三結(jié)合圖5說明，本實施方式的太陽帆板還包括多塊可剛化柔性 復合材料布28 ；每個充氣展開三維桁架單元上的兩根主支撐管14上各分別包覆有多塊可 剛化柔性復合材料布28，多塊可剛化柔性復合材料布28與該兩根支撐管14的外壁復合在 一起，每塊可剛化柔性復合材料布28的連接端設有連接帶29，每塊太陽電池基板1通過可 剛化柔性復合材料布28上的連接帶29與其相對應的兩根支撐管14連接。如此設置，便于 太陽電池基板1與兩根主支撐管14的連接。與其它與具體實施方式
一或二相同。
具體實施方式
四結(jié)合圖5、圖6和圖8說明，本實施方式的每塊支撐結(jié)構(gòu)板18的 兩個連接端上各分別設有多個螺栓穿過孔30，每個螺栓穿過孔30內(nèi)裝有一個螺栓31，每塊支撐結(jié)構(gòu)板18的兩個連接端通過多個螺栓31與其相應的可剛化柔性復合材料布28上的 連接帶29連接。如此設置，可保證太陽電池基板1與兩根主支撐管14牢固連接。其它與具體實施方式
三相同。充氣展開三維桁架通過向主支撐管、副支撐管、斜拉管和導向管內(nèi)部充氣展開，展 開后，太陽帆板開始發(fā)電給衛(wèi)星供電，衛(wèi)星供電給支撐管及導向管內(nèi)部加熱導線供電，使支 撐管及導向管加熱剛化，以達到結(jié)構(gòu)剛度、強度性能要求。在實際使用時，支撐管和導向管內(nèi)壓力可保持相當長的時間，因此，并不需要立刻 通電加熱剛化。等支撐管和導向管充氣展開后，太陽帆板即可開始發(fā)電給衛(wèi)星供電，衛(wèi)星供 電給支撐管內(nèi)部加熱的第一導線供電及導向管內(nèi)部的第二導線供電，為支撐管及導向管加 熱剛化提供剛化能量支持。導向管上安裝有可以沿導向管軸向滑動的捕獲板，捕獲板通過沿軸向安裝的電動 拉繩拉動從而沿導向管軸向滑動。在工程實際中，可利用限位器等對捕獲板進行定位，以便準確的進行太陽電池基 板的捕獲和釋放。工作流程如下1、首先通過電機驅(qū)動電動拉繩，將捕獲板移動到相應要更換的電 池薄板處；2、支撐結(jié)構(gòu)板上的第一勵磁線圈通電，抵消對電池薄板的吸引；3、同時，捕獲板 上的第二勵磁線圈通電，產(chǎn)生電磁力，從而將電池薄板從支撐結(jié)構(gòu)板上吸引并捕獲到捕獲 板上；4、電機驅(qū)動電動拉繩，將捕獲板連同所捕獲的電池薄板轉(zhuǎn)移到太陽帆板的尾端；5、 航天員在軌更換電池薄板；6、將更換的新電池薄板安裝到捕獲板上，捕獲板移動到相應的 支撐結(jié)構(gòu)板處，捕獲板釋放新電池薄板，該支撐結(jié)構(gòu)板通電加強磁力吸引，將新電池薄板捕 獲到該支撐結(jié)構(gòu)板上，整個太陽電池基板更換過程完成。若太陽帆板需整體更換，可將太陽帆板卸下安裝在貨運飛船外體，隨貨運飛船墜 入大氣層銷毀。
權(quán)利要求
一種三維桁架式可在軌維修充氣展開太陽帆板，所述太陽帆板包括充氣展開三維桁架、多塊太陽電池基板(1)、三根第一導線(2)、三個第一接盤(3)、三個第二接盤(4)、三根第一充氣導管(5)、三個第一控制閥(8)、兩個三角形支撐板(6)、兩根導向管(7)、兩根第二導線(12)、兩個第二控制閥(16)、兩根第二充氣導管(15)和四個第三接盤(13)；其特征在于所述太陽帆板還包括捕獲板(9)、兩根電動拉繩(10)、多根連接繩(11)和多個第二勵磁線圈(20)；充氣展開三維桁架由多個充氣展開三維桁架單元依次首尾連通構(gòu)成，位于充氣展開三維桁架首端的充氣展開三維桁架單元的三根主支撐管(14)的首端各分別固裝有一個第一接盤(3)，位于充氣展開三維桁架尾端的充氣展開三維桁架單元的三根主支撐管(14)的尾端各分別固裝有一個第二接盤(4)，充氣展開三維桁架的首端和尾端各分別設置有一個三角形支撐板(6)，充氣展開三維桁架通過三個第一接盤(3)和三個第二接盤(4)與相應的三角形支撐板(6)固接，三根第一導線(2)與三個第一接盤(3)一一對應設置，每根第一導線(2)穿過相應的三角形支撐板(6)、第一接盤(3)與主支撐管(14)的電加熱層連接，第一導線(2)的兩端設置在該三角形支撐板(6)的外面，三根第一充氣導管(5)與三個第一接盤(3)一一對應設置，每根第一充氣導管(5)的一端穿過相應的三角形支撐板(6)、第一接盤(3)與主支撐管(14)連通，每根第一充氣導管(5)上裝有一個第一控制閥(8)，每根第一充氣導管(5)的另一端設置在該三角形支撐板(6)的外面，兩根導向管(7)設置在兩個三角形支撐板(6)之間，兩根導向管(7)與充氣展開三維桁架平行設置，且兩根導向管(7)位于充氣展開三維桁架的任意一側(cè)平面的外側(cè)，每根導向管(7)的兩端各分別通過一個第三接盤(13)與相應的三角形支撐板(6)固接，兩根第二導線(12)與兩根導向管(7)一一對應設置，每根第二導線(12)穿過相應的三角形支撐板(6)、第三接盤(13)與導向管(7)的電加熱層連接，第二導線(12)的兩端與第一導線(2)的兩端同側(cè)設置，兩根第二充氣導管(15)與三根第一充氣導管(5)同側(cè)設置，兩根第二充氣導管(15)與兩根導向管(7)一一對應設置，每根第二充氣導管(15)的一端穿過相應的三角形支撐板(6)、第三接盤(13)與導向管(7)連通，每根第二充氣導管(15)上裝有一個第二控制閥(16)，每個充氣展開三維桁架單元與兩根導向管(7)相鄰的一側(cè)平面內(nèi)設置有一個太陽電池基板(1)，且該太陽電池基板(1)與其所在的充氣展開三維桁架單元的兩根主支撐管(14)連接，每塊太陽電池基板(1)包括電池薄板(17)、支撐結(jié)構(gòu)板(18)和多個第一勵磁線圈(19)；電池薄板(17)通過支撐結(jié)構(gòu)板(18)支撐，支撐結(jié)構(gòu)板(18)上加工有多個第一安裝孔，每個第一安裝孔內(nèi)固裝有一個第一勵磁線圈(19)，電池薄板(17)由永磁材料制成，電池薄板(17)和支撐結(jié)構(gòu)板(18)靠磁力吸引到一起，捕獲板(9)設置在多個太陽電池基板(1)的外側(cè)，捕獲板(9)的兩個連接端分別與多根連接繩(11)的兩端連接，多根連接繩(11)環(huán)套在兩根導向管(7)上，環(huán)套在每根導向管(7)上的多根連接繩(11)通過一根電動拉繩(10)連接，捕獲板(9)上加工有多個第二安裝孔，每個第二安裝孔內(nèi)固裝有一個第二勵磁線圈(20)，主支撐管(14)、斜拉管(22)、副支撐管(23)和導向管(7)均為可剛化柔性充氣展開管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維桁架式可在軌維修充氣展開太陽帆板，其特征在于每 個充氣展開三維桁架單元包括三角形支撐架(21)、三根主支撐管(14)和三根斜拉管(22)； 三角形支撐架(21)包括三根副支撐管(23)和三個六通連接管件(24)；每個六通連接管件(24)上設有兩個主通管口(25)、兩個副通管口(26)和兩個斜拉管口(27)，兩個主通管口(25)沿充氣展開三維桁架的軸向同軸設置，三個六通連接管件(24)呈三角形布置，三根主支撐管(14)與三個六通連接管件(24) —一對應設置，每根主支撐管(14)的尾端固裝在相 應的主通管口(25)內(nèi)，相鄰兩個六通連接管件(24)之間設置有一根副支撐管(23)，每根副 支撐管(23)的兩端分別固裝在相應的副通管口(26)內(nèi)，每個充氣展開三維桁架單元的三 個側(cè)面內(nèi)各分別設置有一根斜拉管(22)，且該斜拉管(22)設置在其所在側(cè)面的任意一個 角平分線上，每根斜拉管(22)的尾端固裝在相應的斜拉管口(27)內(nèi)；每根主支撐管(14)的 首端固裝在與其相鄰的前一個六通連接管件(24)的主通管口(25)內(nèi)，每根斜拉管(22)的 首端固裝在與其相鄰的前一個六通連接管件(24)相應的斜拉管口(27)內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維桁架式可在軌維修充氣展開太陽帆板，其特征在于 所述太陽帆板還包括多塊可剛化柔性復合材料布(28);每個充氣展開三維桁架單元上的兩 根主支撐管(14)上各分別包覆有多塊可剛化柔性復合材料布(28)，多塊可剛化柔性復合 材料布(28)與該兩根支撐管(14)的外壁復合在一起，每塊可剛化柔性復合材料布(28)的 連接端設有連接帶(29)，每塊太陽電池基板(1)通過可剛化柔性復合材料布(28)上的連接 帶(29 )與其相對應的兩根支撐管(14 )連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的三維桁架式可在軌維修充氣展開太陽帆板，其特征在于 每塊支撐結(jié)構(gòu)板(18)的兩個連接端上各分別設有多個螺栓穿過孔(30)，每個螺栓穿過孔 (30)內(nèi)裝有一個螺栓(31)，每塊支撐結(jié)構(gòu)板(18)的兩個連接端通過多個螺栓(31)與其相 應的可剛化柔性復合材料布(28 )上的連接帶(29 )連接。
全文摘要
三維桁架式可在軌維修充氣展開太陽帆板，它涉及一種可在軌維修充氣展開太陽帆板。針對太陽帆板在軌運行時，宇航員需要在空間環(huán)境中行走對需要更換的太陽帆板進行整體更換，宇航員的生命安全造成威脅問題。充氣展開三維桁架由多個充氣展開三維桁架單元依次首尾連通構(gòu)成，充氣展開三維桁架的首尾端與三角形支撐板固接，每個充氣展開三維桁架單元與兩根導向管相鄰一側(cè)平面內(nèi)設置有與主支撐管連接的太陽電池基板，太陽電池基板由電池薄板、支撐結(jié)構(gòu)板和多個第一勵磁線圈組成；電池薄板通過支撐結(jié)構(gòu)板支撐，支撐結(jié)構(gòu)板內(nèi)固裝有第一勵磁線圈，電池薄板和支撐結(jié)構(gòu)板靠磁力吸引到一起，捕獲板設置在太陽電池基板的外側(cè)。本發(fā)明用于空間站等載人航天器中。
文檔編號B64G1/44GK101913434SQ20101025986
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月23日
發(fā)明者杜星文, 田爽, 苗常青, 譚惠豐 申請人:哈爾濱工業(yè)大學