专利名称：双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适应于空间站等载人航天器的、可在轨维修的充气展开太阳帆板，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。从上述 分析可以看出，设计出一种易于在轨维修的、可进行单块电池基板在轨更换的太阳翼的电 池板是极其重要的，它不仅可以节约资源，而且避免或减少了太阳帆板的整体更换，因此降 低了大面积帆板的发射成本和难度，减少了宇航员出舱活动的时间和距离，提高了宇航员 的出舱安全，还有利于避免整个太阳帆板更换所带来的对空间站的扰动。
发明内容
本发明的目的是提供一种双层框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的问题。本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是本发明的充气展开太阳帆板包括 双层充气展开框架和多块太阳电池基板；双层充气展开框架包括一根支撑转轴、四根支撑 管、两个支撑横板、四根导线、八个端盖、四根充气管道和四个控制阀；四根支撑管分上下两 层且平行设置，每层设有两根支撑管，每根支撑管的两端均为封闭端，四根支撑管的两端各 设有一个支撑横板，每根支撑管的两端各通过一个端盖与支撑横板连接，四根支撑管与四 根充气导管一一对应设置，四根支撑管与四根导线一一对应设置，每根充气导管的一端设 置在双层充气展开框架外，每根充气导管的另一端与支撑管的一端连通，每根充气导管上 装有一个控制阀，两个支撑横板中与支撑管的另一端相邻的支撑横板的中心处装有与其 转动连接的支撑转轴，支撑转轴用于与空间站或飞船的舱体连接；所述充气展开太阳帆板 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；多块太阳电池基板沿支撑 管的轴向并列设置在双层充气展开框架内的下层位置处，多块太阳电池基板与双层充气展 开框架位于其下层的两根支撑管连接形成单翼太阳帆板，每块太阳电池基板包括上层电池 薄板、下层支撑结构板和多个第一励磁线圈；下层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，上层电池薄板由永磁材料制成，上层电池薄板 和下层支撑结构板靠磁力吸引到一起，导线与支撑管的电加热层连接，导线的两端设置在 支撑管的外面，支撑管为可刚化柔性充气展开支撑管，捕获板设置在双层充气展开框架内 且位于多块太阳电池基板的上方，捕获板的两个连接端分别与多根连接绳的两端连接，多 根连接绳环套在双层充气展开框架中位于其上层的两根支撑管上，环套在该两个上层支撑 管的每根支撑管3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。本发明的有益效果是本发明的双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板是在已 有单层平面框架式充气展开太阳帆板的基础上改进而成，其优点是增大了结构刚度，提高 了振动基频，并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。
图1是双层充气展开框架充气展开的轴测图，2是双层充气展开太阳帆板的轴测 图，图3是双层充气展开框架位于其下层的两个支撑管充气展开的轴测图(双层充气展开 框架内设有多块太阳电池基板)，图4是双层充气展开框架位于其下层的支撑管与太阳电 池基板连接的左剖视图，图5是单块太阳电池基板的轴测图，图6是单块上层电池薄板的轴 测图，图7是单块下层支撑结构板的轴测图，图8是本发明的整体结构轴测图。
具体实施例方式具体实施方式
一结合图1 图8说明，本实施方式的充气展开太阳帆板包括双层 充气展开框架和多块太阳电池基板1 ；双层充气展开框架包括一根支撑转轴2、四根支撑管 3、两个支撑横板4、四根导线5、八个端盖6、四根充气导管7和四个控制阀8 ；四根支撑管3 分上下两层且平行设置(上层支撑管3在太阳电池基板1更换时作为导轨使用)，每层设 有两根支撑管3，每根支撑管3的两端均为封闭端，四根支撑管3的两端各设有一个支撑横 板4，每根支撑管3的两端各通过一个端盖6与支撑横板4连接，四根支撑管3与四根充气 导管7 —一对应设置，四根支撑管3与四根导线5 —一对应设置，每根充气导管7的一端设 置在双层充气展开框架外，每根充气导管7的另一端与支撑管3的一端(自由端)连通，每 根充气导管7上装有一个控制阀8，两个支撑横板4中与支撑管3的另一端相邻的支撑横板 4(也即固定端)的中心处装有与其转动连接的支撑转轴2，支撑转轴2用于与空间站或飞 船的舱体连接(通过支撑转轴的转动，使太阳帆板能够进行调整以对日定向)；所述充气展 开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 ；多 块太阳电池基板1沿支撑管3的轴向并列设置在双层充气展开框架内的下层位置处，多块 太阳电池基板1与双层充气展开框架位于其下层的两根支撑管3连接形成单翼太阳帆板， 每块太阳电池基板1包括上层电池薄板12、下层支撑结构板13和多个第一励磁线圈14 ；下 层支撑结构板13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 14，上层电池薄板12由永磁材料制成，上层电池薄板12和下层支撑结构板13靠磁力吸引到一起(在工程实际中，太阳电池基板1也可采用机械式连接方式，如机械式卡柱等)，导线 5与支撑管3的电加热层连接，导线5的两端设置在支撑管3的外面，支撑管3为可刚化柔 性充气展开支撑管(为现有技术)，捕获板9设置在双层充气展开框架内且位于多块太阳电 池基板1的上方，捕获板9的两个连接端分别与多根连接绳11的两端连接(通过通电，可 实现磁力的加强或抵消，从而实现对上层电池薄板的释放或捕获)，多根连接绳11环套在 双层充气展开框架中位于其上层的两根支撑管3上，环套在该两个上层支撑管3的每根支 撑管3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。
具体实施方式
二 结合图1说明，本实施方式的支撑横板4为铝合金板，支撑横板 4的长X宽X厚=0. 5m-10mX0. 2m_3mX2mm-30mm。支撑横板具体尺寸可根据整个帆板 的尺寸、结构重量及结构功能要求确定。支撑横板是整个帆板结构与空间站舱体结构的连 接部件，对整个帆板结构有支撑和固定的作用。其它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
三结合图1说明，本实施方式的支撑横板4的长X宽X厚= 4. 4mX0. 3mX5mm-10mm。其它与具体实施方式
二相同。
具体实施方式
四结合图1说明，本实施方式的支撑管3的长度为2m_60m、内径为 20mm-1000mm、壁厚为0. Imm-lOmm。支撑管是整个帆板结构的支撑和展开机构，而且是帆板 基板进行自动更换的导轨，其结构尺寸需根据整个帆板结构要求确定。其它与具体实施方 式一、二或三相同。
具体实施方式
五结合图1说明，本实施方式的支撑管3的长度为20m、内径为 100mm、壁厚为1mm。其它与具体实施方式
四相同。
具体实施方式
六结合图4说明，本实施方式的充气展开太阳帆板还包括多块可 刚化柔性复合材料布16 ；双层充气展开框架位于其下层的两根支撑管3上分别包覆有多块 可刚化柔性复合材料布16，多块可刚化柔性复合材料布16与双层充气展开框架位于其下 层的两根支撑管3的外壁复合在一起(从而与充气展开支撑框架太阳帆板构成一个整体)， 每块可刚化柔性复合材料布16的连接端设有连接带17，每块太阳电池基板1通过可刚化柔 性复合材料布16上的连接带17与双层充气展开框架位于其下层的两根支撑管3连接。其 它与具体实施方式
一相同。
具体实施方式
七结合图4、图5和图7说明，本实施方式的每块下层支撑结构板 13的两个连接端上各分别设有多个螺栓穿过孔18，每个螺栓穿过孔18内装有一个螺栓19， 每块下层支撑结构板13的两个连接端通过多个螺栓19与可刚化柔性复合材料布16上的 连接带17连接(以进一步紧固可刚化柔性复合材料布16与太阳电池基板1之间的连接)。 其它与具体实施方式
四相同。充气展开时，通过充气导管向支撑管内部充气，以提供支撑管展开所需的驱动力， 支撑管展开，则整个机构在支撑管推动作用下依次展开。展开后，太阳帆板开始发电给卫星 供电，卫星供电给支撑管内部加热导线供电，使支撑管加热刚化，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的 加热导线供电，为支撑管加热刚化提供刚化能量支持。
如图8所示，上层支撑管上安装有可以沿支撑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支撑管轴向滑动。在工程实际中，可利用限位器等对上部的捕获板进行定位，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上 层电池薄板的上方；2、下层支撑结构板上的第一励磁线圈通电，抵消对上层电池薄板的吸 引；3、同时，捕获板上的第二励磁线圈通电，产生电磁力，从而将上层电池薄板从下层支撑 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上层电池 薄板转移到太阳帆板的固定端；5、航天员在轨更换上层电池薄板；6、将更换的新上层电池 薄板安装到捕获板上，捕获板移动到相应的太阳电池基板上方，捕获板释放新上层电池薄 板，下层支撑结构板通电加强磁力吸弓I，将新上层电池薄板捕获到下层支撑结构板上，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。
权利要求
一种双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板，所述充气展开太阳帆板包括双层充气展开框架和多块太阳电池基板(1)；双层充气展开框架包括一根支撑转轴(2)、四根支撑管(3)、两个支撑横板(4)、四根导线(5)、八个端盖(6)、四根充气导管(7)和四个控制阀(8)；四根支撑管(3)分上下两层且平行设置，每层设有两根支撑管(3)，每根支撑管(3)的两端均为封闭端，四根支撑管(3)的两端各设有一个支撑横板(4)，每根支撑管(3)的两端各通过一个端盖(6)与支撑横板(4)连接，四根支撑管(3)与四根充气导管(7)一一对应设置，四根支撑管(3)与四根导线(5)一一对应设置，每根充气导管(7)的一端设置在双层充气展开框架外，每根充气导管(7)的另一端与支撑管(3)的一端连通，每根充气导管(7)上装有一个控制阀(8)，两个支撑横板(4)中与支撑管(3)的另一端相邻的支撑横板(4)的中心处装有与其转动连接的支撑转轴(2)，支撑转轴(2)用于与空间站或飞船的舱体连接；其特征在于所述充气展开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)；多块太阳电池基板(1)沿支撑管(3)的轴向并列设置在双层充气展开框架内的下层位置处；多块太阳电池基板(1)与双层充气展开框架位于其下层的两根支撑管(3)连接形成单翼太阳帆板，每块太阳电池基板(1)包括上层电池薄板(12)、下层支撑结构板(13)和多个第一励磁线圈(14)；下层支撑结构板(13)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(14)，上层电池薄板(12)由永磁材料制成，上层电池薄板(12)和下层支撑结构板(13)靠磁力吸引到一起，导线(5)与支撑管(3)的电加热层连接，导线(5)的两端设置在支撑管(3)的外面，支撑管(3)为可刚化柔性充气展开支撑管，捕获板(9)设置在双层充气展开框架内且位于多块太阳电池基板(1)的上方，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)环套在双层充气展开框架中位于其上层的两根支撑管(3)上，环套在该两个上层支撑管(3)的每根支撑管(3)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)。
2.根据权利要求1所述的双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在于支 撑横板(4)为铝合金板，支撑横板(4)的长X宽X厚=0. 5m-10mX0. 2m_3mX2mm-30mm。
3.根据权利要求2所述的双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在于支 撑横板(4)的长 X 宽 X 厚=4. 4mX0. 3mX 5 mm-10mm。
4.根据权利要求1、2或3所述的双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在 于支撑管(3)的长度为2m-60m、内径为20mm-1000mm、壁厚为0. Imm-lOmm。
5.根据权利要求4所述的双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在于支 撑管(3)的长度为20m、内径为100mm、壁厚为1mm。
6.根据权利要求1所述的双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在于所 述充气展开太阳帆板还包括多块可刚化柔性复合材料布(16)；双层充气展开框架位于其下 层的两根支撑管(3)上分别包覆有多块可刚化柔性复合材料布(16)，多块可刚化柔性复合 材料布(16)与双层充气展开框架位于其下层的两根支撑管(3)的外壁复合在一起，每块可 刚化柔性复合材料布(16)的连接端设有连接带(17)，每块太阳电池基板(1)通过可刚化柔 性复合材料布(16)上的连接带(17)与双层充气展开框架位于其下层的两根支撑管(3)连 接。
7.根据权利要求6所述的双层框架式可在轨维修充气展开太阳帆板，其特征在于每块下层支撑结构板(13)的两个连接端上各分别设有多个螺栓穿过孔(18)，每个螺栓穿过 孔(18)内装有一个螺栓(19)，每块下层支撑结构板(13)的两个连接端通过多个螺栓(19) 与可刚化柔性复合材料布(16)上的连接带(17)连接。
全文摘要
双层框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的充气展开太阳帆板。以解决太阳帆板在轨运行出现部分损坏或老化时，宇航员需要在空间环境中行走很远的距离对已损坏或老化的太阳帆板进行整体更换，造成资源浪费，且威胁宇航员生命安全问题。太阳电池基板设置在双层充气展开框架内的下层位置处，下层支撑结构板上的第一安装孔内固装有第一励磁线圈，上层电池薄板由永磁材料制成，导线与支撑管的电加热层连接，捕获板设置在太阳电池基板的上方，捕获板与连接绳连接，连接绳环套在双层充气展开框架中位于其上层的两根支撑管上，连接绳通过一根电动拉绳连接，捕获板上的第二安装孔内固装有第二励磁线圈。本发明用于空间站等载人航天器中。
文档编号H01L31/042GK101997044SQ20101025986
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月23日 优先权日2010年8月23日
发明者万志敏, 刘宇艳, 杜星文, 王友善, 苗常青 申请人:哈尔滨工业大学