太阳能电池帆板展开机构、展开系统及展开方法与流程

本发明涉及航天卫星技术领域，特别是涉及一种太阳能电池帆板展开机构、展开系统及展开方法。

背景技术：

对于卫星来说，太阳能电池帆板是目前卫星的主要电源供电系统，是整个卫星系统的核心部件之一，其直接影响着整颗卫星的性能。然而由于太阳能电池帆板所占的体积和重量的问题导致一般的卫星和航天器系统难以携带更多的太阳能电池。另外，为了解决太阳能电池帆板所占体积的问题，可展开的太阳能电池帆板机构应运而生。

但是，传统的太阳能电池帆板展开结构主要是通过刚性折叠展开的方式，需要在相邻两个太阳能电池帆板之间设置铰接结构，以及需要设计驱动相邻两个太阳能电池帆板通过铰接结构相对转动的折叠机构等等，因此结构比较复杂，增加了卫星在轨展开失败的风险，同时使得太阳能电池帆板的整体重量较重。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的太阳能电池帆板展开机构结构复杂等问题，提供一种结构简单，使用可靠的太阳能电池帆板展开机构，同时还提供了一种太阳能电池帆板的展开系统及展开方法。

上述目的通过以下技术方案实现：

一种太阳能电池帆板展开机构，包括：第一支撑架、第二支撑架、收放组件和弹性件；

第一支撑架与第二支撑架间隔设置，且第一支撑架与第二支撑架能够相对运动；第一支撑架与第二支撑架分别与太阳能电池组件的两侧边连接，当第一支撑架与第二支撑架相互靠近时，太阳能电池组件呈折纸状折叠；当第一支撑架与第二支撑架相互远离时，太阳能电池组件展开；

收放组件设置于第一支撑架上，且与第二支撑架传动连接，用于对第二支撑架施加驱动力，以使第二支撑架朝靠近第一支撑架的方向运动；

弹性件设置在第一支撑架与第二支撑架之间，当收放组件释放对第二支撑架施加的驱动力时，第二支撑架在弹性件的弹性作用力下，朝远离第一支撑架的方向运动。

在其中一个实施例中，收放组件包括收放轮、牵引绳和电机，电机设置在第一支撑架上，且与收放轮传动连接，用于带动收放轮转动；

牵引绳的一端与收放轮连接，另一端与第二支撑架连接；当收放轮朝第一方向转动时，牵引绳卷收于收放轮上，以带动第二支撑架朝靠近第一支撑架的方向运动。

在其中一个实施例中，收放组件还包括滑轮，滑轮设置于第二支撑架上；牵引绳的与第二支撑架连接的一端绕过滑轮固定于第一支撑架。

在其中一个实施例中，弹性件为压缩弹簧；压缩弹簧的一端固定于第一支撑架，另一端固定于第二支撑架；当第一支撑架与第二支撑架相互靠近时，压缩弹簧被压缩。

在其中一个实施例中，压缩弹簧大致呈锥体形；当压缩弹簧被压缩时，压缩弹簧大致呈盘形。

在其中一个实施例中，太阳能电池帆板展开机构还包括伸缩杆，伸缩杆的两端分别与第一支撑架和第二支撑架连接。

在其中一个实施例中，伸缩杆包括依次套设的多个伸缩子杆，相邻的两个伸缩子杆之间设有弹性卡凸。

在其中一个实施例中，太阳能电池组件包括柔性承载膜和支撑结构，以及多个太阳能电池片；

支撑结构包括两个支撑杆，两个支撑杆分别与第一支撑架和第二支撑架连接；柔性承载膜的相对两侧边分别与两个支撑杆连接，多个太阳能电池片依次间隔排列地安装于柔性承载膜；当第一支撑架与第二支撑架相互靠近时，柔性承载膜以相邻两个太阳能电池片之间的间隔为折线呈折纸状折叠。

一种太阳能电池帆板展开系统，包括多级上述的太阳能电池帆板展开机构；多级太阳能电池帆板机构依次连接，上一级太阳能电池帆板展开机构的第一支撑架为下一级太阳能电池帆板展开机构的第二支撑架。

一种如上述的太阳能电池帆板展开机构的展开方法，包括以下步骤：

通过收放组件释放对第二支撑架施加的驱动力，以使第二支撑架在弹性件的弹性作用力下，朝远离第一支撑架的方向运动。

在其中一个实施例中，在通过收放组件释放对第二支撑架施加的驱动力，以使第二支撑架在弹性件的弹性作用力下朝远离第一支撑架的方向运动的步骤之后，还包括以下步骤：

通过收放组件对第二支撑架施加驱动力，以使第二支撑架朝靠近所述第一支撑架的方向运动。

上述太阳能电池帆板展开机构至少具有以下技术效果：

利用弹性件实现第一支撑架与第二支撑架之间的相互远离运动，从而带动太阳能电池组件展开。在卫星发射前，第二支撑架在收放组件的作用下靠近第一支撑架的一侧。在卫星发射入轨后，第二支撑架在弹性件的弹性作用力下远离第一支撑架，使得太阳能电池组件展开。这样，在卫星发射的时候可以减小整个太阳能电池帆板的体积，而在卫星发射入轨后，太阳能电池帆板能够展开以保证对卫星的大电量供应。此外，控制两个支撑架相对运动的结构较为简单可靠，不易发生展开失败的现象。并且由于展开时主要依靠弹性件的弹性力作用，因此无需设置额外的展开驱动结构，有效减轻整个太阳能电池帆板的重量。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的太阳能电池帆板展开机构的结构示意图；

图2为图1所示机构去除太阳能电池组件后的结构示意图；

图3为图1所示机构的太阳能电池组件展开示意图；

图4为图1所示机构的太阳能电池组件折叠示意图；

图5为本发明一实施例提供的太阳能电池帆板展开机构的收放组件的结构示意图；

图6为本发明一实施例提供的太阳能电池帆板展开机构的弹性件的结构示意图；

图7为图6所示弹性件结构的压缩状态示意图；

图8为本发明一实施例提供的太阳能电池帆板展开系统的结构示意图；

图9为图8所示系统结构的非展开示意图。

其中：

100-太阳能电池帆板展开机构；

001-第一支撑架；002-第二支撑架；

003-弹性件；

004-收放组件；041-收放轮；042-牵引绳；043-电机；044-滑轮；

005-伸缩杆；

006-太阳能电池组件；061-柔性承载膜；062-支撑杆；063-太阳能电池片。

200-太阳能电池帆板展开系统；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本发明的太阳能电池帆板展开机构、展开系统及展开方法进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

如图1和图2所示，本发明一实施例的太阳能电池帆板展开机构100，包括：第一支撑架001、第二支撑架002、收放组件004和弹性件003；

第一支撑架001与第二支撑架002间隔设置，且第一支撑架001与第二支撑架002能够相对运动；第一支撑架001与第二支撑架002分别与太阳能电池组件006的两侧边连接，当第一支撑架001与第二支撑架002相互靠近时，太阳能电池组件006呈折纸状折叠；当第一支撑架001与第二支撑架002相互远离时，太阳能电池组件006展开；

收放组件004设置于第一支撑架001上，且与第二支撑架002传动连接，用于对第二支撑架002施加驱动力，以使第二支撑架002朝靠近第一支撑架001的方向运动；

弹性件003设置在第一支撑架001与第二支撑架002之间，当收放组件004释放对第二支撑架002施加的驱动力时，第二支撑架002在弹性件003的弹性作用力下，朝远离第一支撑架001的方向运动。

其中，第一支撑架001和第二支撑架002的结构形式可以为多种。例如，第一支撑架001可以是框架结构，也可以是呈板状结构，或者是杆状结构。一实施例中，第一支撑架001为矩形框架结构，其包括四条围成矩形的边框，以及两条连接矩形的两个对角的对角线框。这样，第一支撑架001在具有稳定的结构的同时，还能够尽量减轻重量。同样地，第二支撑架002也可以是框架结构，或者是呈板状结构，又或者是杆状结构。一实施例中，第二支撑架002为矩形框架结构，其包括四条围成矩形的边框，以及两条连接矩形的两个对角的对角线框。此外，第一支撑架001和第二支撑架002可采用高强度、轻质材料制成。

参见图3和图4，作为一种可实施的方式，太阳能电池组件006包括柔性承载膜061和支撑结构，以及多个太阳能电池片063；支撑结构包括两个支撑杆062，两个支撑杆062分别与第一支撑架001和第二支撑架002连接；柔性承载膜061的相对两侧边分别与两个支撑杆062连接，多个太阳能电池片063依次间隔排列地安装于柔性承载膜061；当第一支撑架001与第二支撑架002相互靠近时，柔性承载膜061以相邻两个太阳能电池片063之间的间隔为折线呈折纸状折叠。

两个支撑杆062的一端可分别直接固定连接在第一支撑架001或者第二支撑架002上，也可以是分别通过连接件与第一支撑架001、第二支撑架002连接。一实施例中，第一支撑架001和第二支撑架002均为矩形的框架，一个支撑杆062的一端通过折叠式连接件分别与第一支撑架001的一侧边框的两端连接。同样地，另一个支撑杆062的一端也通过折叠式连接件分别与第二支撑架002的一侧边框的两端连接。当太阳能电池帆板为折叠状态时，通过折叠式连接件，使得两个支撑杆062分别相对于第一支撑架001和第二支撑架002折叠，进一步减小了整个太阳能电池帆板的体积。当太阳能电池帆板为展开状态时，折叠式连接件刚性展开，第一支撑架001、第二支撑架002能够分别通过折叠式连接件带动两个支撑杆062相对运动，以实现柔性承载膜061的展开。

参见图2和图5，收放组件004的结构形式可以为多种。作为一种可实施的方式，收放组件004包括收放轮041、牵引绳042和电机043，电机043设置在第一支撑架001上，且与收放轮041传动连接，用于带动收放轮041转动；

牵引绳042的一端与收放轮041连接，另一端与第二支撑架002连接；当收放轮041朝第一方向转动时，牵引绳042卷收于收放轮041上，以带动第二支撑架002朝靠近第一支撑架001的方向运动。

其中，牵引绳042采用重量轻、强度大的材料制成，例如钢丝绳等等，可以有效减轻整个太阳能电池帆板的重量。以及收放轮041和电机043，也均选择性能优良，重量较轻的种类。在牵引绳042卷收于收放轮041的过程中，收放轮041通过牵引绳042对第二支撑架002施加驱动力，以使第二支撑架002朝靠近第一支撑架001的方向运动。当第二支撑架002运动到位时，电机043停止带动收放轮041朝第一方向转动。

具体使用过程中，可根据第二支撑架002与第一支撑架001相对运动的距离，计算得到收放轮041转动的圈数以及角度，来控制电机043停止带动收放轮041朝第一方向转动的时刻，以保证第二支撑架002能够准确运动到位，同时避免对牵引绳042的过度拉伸。或者，可设计位置传感器来检测第二支撑架002相对第一支撑架001运动的位置，当检测到第二支撑架002运动到位时，通过控制器向电机043发送停止信号。

在其他一些实施例中，收放组件004还可以包括驱动电机和驱动杆，驱动杆的一端与驱动电机连接，另一端与第二支撑架002连接。驱动电机通过带动驱动杆直线运动，以带动第二支撑架002运动。或者，收放组件004还可以设置为其他一些结构形式，只要能够实现对第二支撑架002施加使第二支撑架002向第一支撑架001运动的驱动力的目的即可。

参见图2、图6和图7，弹性件003的结构形式可以为多种。作为一种可实施的方式，弹性件003为压缩弹簧；压缩弹簧的一端固定于第一支撑架001，另一端固定于第二支撑架002；当第一支撑架001与第二支撑架002相互靠近时，压缩弹簧被压缩。这样，当收放组件004释放对第二支持架支撑架施加的前述驱动力时，第二支撑架002在压缩弹簧的弹力作用下，能够朝远离第一支撑架001的方向运动，从而可带动太阳能电池组件006展开。其中，压缩弹簧也可以由其他具有压缩变形弹力的弹性件替代。

较佳地，压缩弹簧大致呈锥体形；当压缩弹簧被压缩时，压缩弹簧大致呈盘形。这样，可以有效的减小发射前太阳能电池帆板的空间体积。其中，压缩弹簧可以是横截面呈矩形的螺旋弹簧，截面呈矩形的螺旋弹簧具有较大的横向稳定性，其在压缩后是一个矩形盘(如图7)。当然，在其他实施例中，压缩弹簧也可以是横截面为圆形，在压缩后呈圆盘形。或者其横截面为三角形，压缩后呈三角形盘状等等。

参见图1和图2，本实施例的太阳能电池帆板展开机构100，在卫星发射前，第二支撑架002在收放组件004的作用下靠近第一支撑架001的一侧。在卫星发射入轨后，第二支撑架002在弹性件003的弹性作用力下远离第一支撑架001，使得太阳能电池组件006展开。这样，在卫星发射的时候可以减小整个太阳能电池帆板的体积，而在卫星发射入轨后，太阳能电池帆板能够展开以保证对卫星的大电量供应。此外，控制两个支撑架相对运动的结构较为简单可靠，不易发生展开失败的现象。并且由于展开时主要依靠弹性件003的弹性力作用，因此无需设置额外的展开驱动结构，有效减轻整个太阳能电池帆板的重量。

下面以收放组件004为包括收放轮041、牵引绳042和电机043的结构形式为例，具体说明本发明的太阳能电池帆板展开机构100的实现过程。

参见图1和图2，在卫星发射前，第二支撑架002在收放组件004施加的驱动力的作用下位于第一支撑架001的一侧，此时太阳能电池帆板为折叠状态。当卫星发射入轨后，太阳能电池帆板展开机构100接收到展开信号后，收放组件004释放对第二支撑架002施加的驱动力。具体地，由电机043带动收放轮041朝与第一方向相反的方向转动，通过释放牵引绳042以解除对第二支撑架002的驱动力，之后第二支撑架002在弹性件003的弹性作用力下远离第一支撑架001，使得太阳能电池帆板能够展开。

本实施例中，通过电机043驱动收放轮041对牵引绳042卷收和释放的过程，实现太阳能电池帆板在展开和折叠过程中的速度均匀，保证整个太阳能电池帆板展开机构100展开动作的平滑性，最大程度的降低对整个卫星和航天器的姿态的影响。

参见5，作为一种可实施的方式，收放组件004还包括滑轮044，滑轮044设置于第二支撑架002上；牵引绳042的与第二支撑架002连接的一端绕过滑轮044固定于第一支撑架001。这样，可以更加节省带动第二支撑架002运动的驱动力，有效减小电机043功率。

参见2，作为一种可实施的方式，太阳能电池帆板展开机构100还包括伸缩杆005，伸缩杆005的两端分别与第一支撑架001和第二支撑架002连接。伸缩杆005用于对第一支撑架001与第二支撑架002的相对运动起到导向支撑的作用。伸缩杆005可以为一个、两个、三个甚至更多个。例如在前述的第一支撑架001、第二支撑架002均为矩形框架结构的实施例中，可以在第一支撑架001和第二支撑架002之间设置四个伸缩杆，四个伸缩杆对应设置在第一支撑架001的四个角与第二支撑架002的四个角之间。

进一步地，伸缩杆005包括依次套设的多个伸缩子杆，相邻的两个伸缩子杆之间设有弹性卡凸。

通过将伸缩杆005设置为多个依次套设的伸缩子杆的结构，且相邻的两个伸缩子杆之间设有弹性卡凸，可实现伸缩杆005的自动伸缩，并在伸长到位后自动锁死。这样，第二支撑架002朝远离第一支撑架001的方向运动至一定距离后，第二支撑架002能够在伸缩杆005的配合下实现自动定位。

如图8和图9所示，本发明一实施例还提供了一种太阳能电池帆板展开系统200，包括多级上述的太阳能电池帆板展开机构100；多级太阳能电池帆板机构依次连接，上一级太阳能电池帆板展开机构100的第一支撑架001为下一级太阳能电池帆板展开机构100的第二支撑架002。

该太阳能电池帆板展开系统200，每一级太阳能电池帆板展开机构100均可以独立动作，即使有一级出现问题不会影响到其它的太阳能电池帆板展开机构100的正常动作，有效增加整个太阳能电池帆板展开系统200的可靠性。且相邻的两级太阳能电池帆板展开机构100具有联系，上一级太阳能电池帆板展开机构100的第一支撑架001为下一级太阳能电池帆板展开机构100的第二支撑架002(可参考图2)。这样，有效节约了整个太阳能电池帆板展开系统200的空间占用体积，减轻了重量。可以理解，与上一级太阳能电池帆板展开机构100的第一支撑架001对应的太阳能电池组件006的支撑杆062，也可以为与下一级太阳能电池帆板展开机构100的第二支撑架002对应的太阳能电池组件006的支撑杆062。

参见图1，本发明一实施例还提供了一种如上述的太阳能电池帆板展开机构100的展开方法，包括以下步骤：

通过收放组件004释放对第二支撑架002施加的驱动力，以使第二支撑架002在弹性件003的弹性作用力下，朝远离第一支撑架001的方向运动。如此可实现太阳能电池组件006的展开。

进一步地，在上述实现太阳能电池组件006展开的步骤之后，还包括以下步骤：通过收放组件004对第二支撑架002施加驱动力，以使第二支撑架002朝靠近第一支撑架001的方向运动。如此可实现太阳能电池组件006的折叠。

参见图1、图8和图9，具体操作时：例如在卫星发射前，第二支撑架002在收放组件004的作用下位于靠近第一支撑架001一侧的位置，即此时太阳能电池组件006为折叠状态。在卫星发射入轨后，收放组件004释放对第二支撑架002施加的驱动力，同时第二支撑架002在弹性件003的弹性作用力下远离该第一支撑架001，使得太阳能电池组件006展开。在上一级太阳能电池帆板展开机构100完全打开后，下一级的太阳能电池帆板展开机构100开始重复执行上述步骤直到整个太阳能电池帆板展开系统200完全展开。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。