专利名称：太阳电池阵模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明属于民用航天领域，特别涉及一种太阳电池阵模拟装置。
背景技术：
太阳能作为一种新型的可再生清洁能源。在航天领域内，绝大多数航天器均使用太阳电池阵作为其能量来源。太阳电池阵机械系统是太阳电池阵易失效部件，其性能优劣直接影响到航天器的工作状态和使用寿命。随着航天器功能的日益复杂，对航天器的能源需求有了进一步增长。航天器的空间工作条件复杂多变，近年来，因为太阳电池阵机械系统故障导致航天器失效的事件屡有发生，为了避免航天器失效的事件发生，采用太阳电池阵模拟装置来模拟太阳电池阵的展开，使用太阳电池阵模拟装置研究故障情况下的运动学动力学特性对提高太阳电池阵的可靠性有重要意义。根据现有技术中航天器运用的太阳电池阵的资料，结合相关文献，发现现有技术中太阳电池阵模拟装置主要存在以下问题1、仅构建了太阳电池阵的部分机械系统，没有包含太阳电池阵的定向机构，如英国专利GB2114812A与日本专利JP030499A ；2、仅能模拟步进电机驱动或扭簧驱动两者之一，不能模拟电机驱动或扭簧驱动的单独运作或协同运作；3、悬吊机构复杂，对太阳电池阵展开有明显干涉，不能调整悬吊绳索张力；4、无法方便地调整展开机构钢丝绳索带的预紧力，不能实时获得绳索张力的数值；5、仅能测试在不同驱动参数情况下太阳电池阵展开的运动学特性，不能模拟不同铰链间隙与多种机械故障情况下太阳电池阵的展开，如英国剑桥的A. Fischer设计的太阳电池阵装置。(参考 A.Fischer, S.Pellegrino, Interaction between gravity compensation suspension system and deployable structure[J]Journal of Spacecraft and Rockets. 37 (1) (2000)93-99)因此，为了提高太阳电池阵的性能和可靠性，设计一种功能全面，模拟效果好的太阳电池阵模拟装置，对于提高太阳电池阵的设计水平有重要意义。
发明内容
本发明所解决的技术问题是提供一种太阳电池阵模拟装置，解决了现有技术中不包含定向机构，不能模拟两种驱动模式、且悬吊机构过于复杂，不方便调整展开机构钢丝绳索带预紧力，不能模拟不同铰链间隙与多种机械故障的缺陷。技术方案如下一种太阳电池阵模拟装置，包括框架，其特征在于还包括定向机构、悬吊机构、间隙铰链、太阳电池阵帆板、摆动机构和展开机构，所述定向机构设置在所述框架的侧部，所述摆动机构设置在所述定向机构上，所述悬吊机构设置在所述框架的顶部，所述悬吊机构和定向机构连接着所述太阳电池阵帆板，所述间隙铰链设置在所述太阳电池阵帆板之间， 所述展开机构设置在所述太阳电池阵帆板上。进一步，所述定向机构包括模拟墙、阶梯轴、定向机构支撑架、谐波减速器、一号驱动步进电机、一号联轴器、二号联轴器、轴端挡盖和活动机架，所述模拟墙设置在所述框架的侧部，所述模拟墙上开有阶梯轴孔，所述阶梯轴设置在所述阶梯轴孔中；所述模拟墙的侧部设置有所述定向机构支撑架，所述谐波减速器设置在所述定向机构支撑架中；所述一号驱动步进电机设置在所述定向支撑架的侧部，所述一号驱动步进电机与所述谐波减速器之间连接有所述一号联轴器；所述谐波减速器与所述阶梯轴之间连接有所述二号联轴器， 所述轴端挡盖设置在所述阶梯轴上，所述活动机架设置在所述轴端挡盖上。进一步，所述谐波减速器的传动比为100 1。进一步，所述悬吊机构包括直线滑轨、滑块、悬吊绳索和长度微调计；所述直线滑轨螺栓连接在所述框架的上部，所述滑块设置在所述直线滑轨上，所述滑块的下部设置有所述悬吊绳索，所述悬吊绳索中设置有所述长度微调计，所述悬吊绳索与所述太阳电池阵帆板上部的通孔连接。进一步，所述间隙铰链包括公铰链、驱动扭簧、驱动销轴、一号锁定销轴、二号锁定销轴、母铰链、锁定扭簧和连接小杆；所述驱动销轴上套装有所述驱动扭簧，所述二号锁定销轴上套装有所述锁定扭簧，所述公铰链上开有公铰链驱动销轴孔和一号锁定销轴凹槽，所述母铰链上开有母铰链驱动销轴孔和二号锁定销轴孔；所述驱动销轴穿过所述公铰链驱动销轴孔和母铰链驱动销轴孔固定在所述公铰链和母铰链上；所述一号锁定销轴和二号锁定销轴设置在所述连接小杆上，所述二号锁定销轴穿过所述二号锁定销轴孔固定在所述母铰链上，所述驱动销轴的直径范围为6. 00 7. 96mm，所述一号锁定销轴和二号锁定销轴的直径为6mm。进一步，所述太阳电池阵帆板包括零号帆板、一号帆板、二号帆板和三号帆板，所述活动机架和零号帆板之间、所述零号帆板和一号帆板之间、所述一号帆板和二号帆板之间、所述二号帆板和三号帆板之间均通过所述间隙铰链相连接。进一步，所述摆动机构包括二号步进电机、一号摆动同步带轮和二号摆动同步带轮；所述二号步进电机设置在所述模拟墙上，所述一号摆动同步带轮安装在所述二号步进电机上，所述二号摆动同步带轮设置在所述零号帆板的上部，所述一号摆动同步带轮和二号摆动同步带轮之间连接有同步带。进一步，所述展开机构包括一号同步带轮、二号同步带轮、三号同步带轮、四号同步带轮、五号同步带轮、六号同步带轮和花兰螺栓；所述一号同步带轮设置在所述活动机架的下部，所述二号同步带轮设置在所述一号帆板的下部，所述一号同步带轮和二号同步带轮之间绕有钢丝绳索带；所述三号同步带轮设置在所述零号帆板的上部，所述四号同步带轮设置在所述二号帆板的上部，所述三号同步带轮和所述四号同步带轮之间绕有所述钢丝绳索带；所述五号同步带轮设置在所述一号帆板的下部，所述六号同步带轮设置在所述三号帆板的下部，所述五号同步带轮和六号同步带轮之间绕有所述钢丝绳索带，所述钢丝绳索带上还安装有花兰螺栓。进一步，所述一号同步带轮、所述二号摆动同步带轮和零号帆板上的间隙铰链同轴放置；所述二号同步带轮、所述三号同步带轮和一号帆板上的间隙铰链同轴放置；所述四号同步带轮、所述五号同步带轮和二号帆板上的间隙铰链同轴放置；所述六号同步带轮和三号帆板上的间隙铰链同轴放置。进一步，还包括电阻式角位移传感器、微型拉力传感器和加速度传感器，所述电阻式角位移传感器设置在所述太阳电池阵帆板的间隔之间，且与所述间隙铰链同轴；所述微型拉力传感器串联设置在所述钢丝绳索带上；所述加速度传感器设置在所述太阳电池阵帆板的标志点处。技术效果如下1、本发明包含了定向机构，能模拟地表重力环境与空间微重力环境。2、本发明包含了电机驱动和扭簧驱动，能模拟这两种驱动的单独运作或协同运作，且驱动销轴可以更换。3、本发明的悬吊机构简单，对太阳电池阵展开没有干涉，并可以调整悬吊绳索的张力。4、本发明可以方便地调整展开机构钢丝绳索带的预紧力，能实时获得绳索张力的数值。5、本发明能测试在不同驱动参数情况下太阳电池阵展开的运动学特性，能模拟不同铰链间隙与多种机械故障情况下太阳电池阵的展开。6、本发明以简单的机构形式实现了多种预定模拟功能，降低了加工难度，简化了装配布局，节约了成本，从而提高了该装置的适用范围与模拟精度。
图1是本发明中太阳电池阵模拟装置的立体结构示意图；图2是本发明中定向机构的结构示意图；图3是本发明中太阳电池阵模拟装置的主视结构示意图；图4是本发明中太阳电池阵模拟装置的俯视结构示意图；图5是本发明中悬吊机构的结构示意图；图6是本发明中间隙铰链的立体结构示意图；图7是本发明中展开机构的结构示意图。
具体实施例方式下面参考附图和优选实施例，对本发明的技术方案做详细描述。如图1所示，是本发明中太阳电池阵模拟装置的立体结构示意图。本发明包括框架8、定向机构6、悬吊机构7、间隙铰链3、太阳电池阵帆板1、摆动机构2和展开机构4，定向机构6设置在框架8的侧部，摆动机构2设置在定向机构6上，悬吊机构7设置在框架8 的顶部，悬吊机构7和定向机构6连接着太阳电池阵帆板1，间隙铰链3设置在太阳电池阵帆板1之间，展开机构4设置在太阳电池阵帆板1上。框架8由槽钢焊接而成，框架8的尺寸为1300_X400_X700mm。框架8可以与地面固定连接也可以在框架8底座安装万向轮。如图2所示，是本发明中定向机构的结构示意图。定向机构包括模拟墙《1、阶梯轴61、定向机构支撑架6D、谐波减速器6J、一号驱动步进电机6A、一号联轴器6C、二号联轴器6E、轴端挡盖6G和活动机架6K。模拟墙6H固定连接在框架8的侧部，模拟墙6H上开有阶梯轴孔，阶梯轴61设置在阶梯轴孔中；模拟墙6H的侧部设置有定向机构支撑架6D，谐波减速器6J设置在定向机构支撑架6D中，谐波减速器6J的传动比为100 1;一号驱动步进电机6A设置在定向支撑架6D的侧部，一号驱动步进电机6A可以输出正反两向的转动。 一号驱动步进电机6A与谐波减速器6J之间连接有一号联轴器6C ；谐波减速器6J与阶梯轴61之间连接有二号联轴器6E。其中，一号联轴器6C的型号是MC0WK38mmX 15mmX 15mm, 二号联轴器6E的型号是MC020mmX6mmX8mm。轴端挡盖6G设置在阶梯轴61上，活动机架 6K设置在轴端挡盖6G上。定向机构6输出较低角速度使太阳电池阵帆板1定向转动。如图3和图4所示，摆动机构2设置在定向机构6上。摆动机构2包括二号步进电机2A、一号摆动同步带轮2B和二号摆动同步带轮2C。二号步进电机2A设置在模拟墙6H 上，一号摆动同步带轮2B安装在二号步进电机2A上，二号摆动同步带轮2C设置在零号帆板IA的上部，一号摆动同步带轮2B和二号摆动同步带轮2C之间连接有同步带。摆动机构 2带动太阳电池阵帆板1摆动。如图5所示，是本发明中悬吊机构的结构示意图。悬吊机构7包括直线滑轨7B、 滑块7C、悬吊绳索7D和长度微调计7E。直线滑轨7B螺栓连接在框架8的上部，滑块7C设置在直线滑轨7B上，滑块7C的下部设置有悬吊绳索7D，悬吊绳索7D中设置有长度微调计 7E，长度微调计7E由两片铝制垫圈组成，用来调节悬吊绳索7D的张力。悬吊绳索7D与太阳电池阵帆板1上部的通孔连接。如图6所示，是本发明中间隙铰链的立体结构示意图。间隙铰链3包括公铰链 3A、驱动扭簧:3B、驱动销轴3C、一号锁定销轴3D、二号锁定销轴3E、母铰链3F、锁定扭簧3G 和连接小杆31。驱动销轴3C上套装有驱动扭簧3B，二号锁定销轴3E上套装有锁定扭簧 3G，公铰链3A上开有公铰链驱动销轴孔和一号锁定销轴凹槽，母铰链3F上开有母铰链驱动销轴孔和二号锁定销轴孔。驱动销轴3C穿过公铰链驱动销轴孔和母铰链驱动销轴孔固定在公铰链3A和母铰链3F上。一号锁定销轴3D和二号锁定销轴3E设置在连接小杆31上， 二号锁定销轴3E穿过二号锁定销轴孔固定在母铰链3F上。在太阳电池阵帆板1收拢时，转动一号锁定销轴3D，使一号锁定销轴3D离开一号锁定销轴凹槽，公铰链3A与母铰链3F绕着驱动销轴3C收拢，间隙铰链3由展开状态变为收拢状态。在太阳电池阵帆板1展开时，驱动扭簧3B驱动公铰链3A与母铰链3F绕着驱动销轴3C释放，一号锁定销轴3D在锁定扭簧3G的作用下沿着公铰链3A表面运动直到插入一号锁定销轴凹槽内，完成锁定动作，间隙铰链3由收拢状态变为展开状态。此时太阳电池阵帆板1展开形成平面阵列。驱动销轴3C可以拆卸更换，驱动销轴3C可以选用的直径为7. 96mm, 7. 80mm, 7. 60mm, 7. 40mm, 7. 20mm, 7. OOmm和6. OOmm七个系列共观枚，可模拟的铰链半径间隙为 0. 02mm, 0. 10mm, 0. 20mm, 0. 30mm, 0. 40mm, 0. 50mm, 1. 00mm。一号锁定销轴 3D 和二号锁定销轴3F的直径为6mm。如图3和图7所示，太阳电池阵帆板1包括零号帆板1A、一号帆板1B、二号帆板 IC和三号帆板1D。活动机架6K和零号帆板IA之间、零号帆板IA和一号帆板IB之间、一号帆板IB和二号帆板IC之间、二号帆板IC和三号帆板ID之间均通过间隙铰链3相连接。 悬吊绳索7D与太阳电池阵帆板1上部的通孔连接。太阳电池阵帆板1可以选用铝合金5032、45#钢和铝合金蜂窝基板3种材料。当选用铝合金5032或45#钢材料时，太阳电池阵帆板1的设计尺寸为零号帆板 IA的尺寸为150mmX200mmX2mm，一号帆板1B、二号帆板IC和三号帆板ID的尺寸为300mmX200mmX2mm;当选用铝合金蜂窝基板材料时，太阳电池阵帆板1的设计尺寸为零号帆板IA的尺寸为150mmX200mmX 10mm，一号帆板1B、二号帆板IC和三号帆板ID的尺寸为300mmX200mmX 10mm。太阳电池阵帆板1可以根据需要进行拆卸和更换。展开机构4包括一号同步带轮4A、二号同步带轮4B、三号同步带轮4C、四号同步带轮4D、五号同步带轮4E、六号同步带轮4F和花兰螺栓4H。一号同步带轮4A螺栓连接在活动机架6K的下部，二号同步带轮4B螺栓连接在一号帆板IB的下部，一号同步带轮4A和二号同步带轮4B之间绕有钢丝绳索带；三号同步带轮4C螺栓连接在零号帆板IA的上部， 四号同步带轮4D螺栓连接在二号帆板IC的上部，三号同步带轮4C和四号同步带轮4D之间绕有钢丝绳索带；五号同步带轮4E螺栓连接在一号帆板IB的下部，六号同步带轮4F螺栓连接在三号帆板ID的下部，五号同步带轮4E和六号同步带轮4F之间绕有钢丝绳索带。 其中，一号同步带轮4A、二号摆动同步带轮2C和零号帆板IA上的间隙铰链3同轴放置；二号同步带轮4B、三号同步带轮4C和一号帆板IB上的间隙铰链3同轴放置；四号同步带轮 4D、五号同步带轮4E和二号帆板IC上的间隙铰链3同轴放置；六号同步带轮4F和三号帆板ID上的间隙铰链3同轴放置。钢丝绳索带上还安装有花兰螺栓4H，用来调节钢丝绳索带的预紧力。钢丝绳索带4C采用多股钢丝，直径为2mm，弹性模量为206GPa。展开机构4保证了太阳电池阵帆板1能同步展开。除三号同步带轮4C和四号同步带轮4D设置在太阳电池阵帆板1的上部外，其他同步带轮均设置在太阳电池阵帆板1的下部，而且悬吊机构7的悬吊绳索7D在钢丝绳索带之间，保证悬吊机构7对太阳电池阵帆板1的展开没有干涉。一号同步带轮4A和二号同步带轮4B之间的传动比为2 1，三号同步带轮4C和四号同步带轮4D之间的传动比为1 1，五号同步带轮4E和六号同步带轮4F之间的传动比为1 1。为了测量实验所得的数值，本发明还安装有电阻式角位移传感器9、微型拉力传感器10和加速度传感器11。电阻式角位移传感器9安装在太阳电池阵帆板1的间隔之间，且与间隙铰链3同轴。电阻式角位移传感器9用来实时测量太阳电池阵帆板1之间的转角。微型拉力传感器 10串联安装在钢丝绳索带上，可以实时测量钢丝绳索带中的拉力数值。其中，微型拉力传感器的型号为UMIkgf。加速度传感器11安装在太阳电池阵帆板1的标志点处，可实时测量帆板各标志点处加速度。
权利要求
1.一种太阳电池阵模拟装置，包括框架，其特征在于还包括定向机构、悬吊机构、间隙铰链、太阳电池阵帆板、摆动机构和展开机构，所述定向机构设置在所述框架的侧部，所述摆动机构设置在所述定向机构上，所述悬吊机构设置在所述框架的顶部，所述悬吊机构和定向机构连接着所述太阳电池阵帆板，所述间隙铰链设置在所述太阳电池阵帆板之间， 所述展开机构设置在所述太阳电池阵帆板上。
2.如权利要求1所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于，所述定向机构包括模拟墙、阶梯轴、定向机构支撑架、谐波减速器、一号驱动步进电机、一号联轴器、二号联轴器、轴端挡盖和活动机架，所述模拟墙设置在所述框架的侧部，所述模拟墙上开有阶梯轴孔，所述阶梯轴设置在所述阶梯轴孔中；所述模拟墙的侧部设置有所述定向机构支撑架，所述谐波减速器设置在所述定向机构支撑架中；所述一号驱动步进电机设置在所述定向支撑架的侧部，所述一号驱动步进电机与所述谐波减速器之间连接有所述一号联轴器；所述谐波减速器与所述阶梯轴之间连接有所述二号联轴器，所述轴端挡盖设置在所述阶梯轴上，所述活动机架设置在所述轴端挡盖上。
3.如权利要求2所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于所述谐波减速器的传动比为 100 1。
4.如权利要求1所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于，所述悬吊机构包括直线滑轨、滑块、悬吊绳索和长度微调计；所述直线滑轨螺栓连接在所述框架的上部，所述滑块设置在所述直线滑轨上，所述滑块的下部设置有所述悬吊绳索，所述悬吊绳索中设置有所述长度微调计，所述悬吊绳索与所述太阳电池阵帆板上部的通孔连接。
5.如权利要求1所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于，所述间隙铰链包括公铰链、驱动扭簧、驱动销轴、一号锁定销轴、二号锁定销轴、母铰链、锁定扭簧和连接小杆；所述驱动销轴上套装有所述驱动扭簧，所述二号锁定销轴上套装有所述锁定扭簧，所述公铰链上开有公铰链驱动销轴孔和一号锁定销轴凹槽，所述母铰链上开有母铰链驱动销轴孔和二号锁定销轴孔；所述驱动销轴穿过所述公铰链驱动销轴孔和母铰链驱动销轴孔固定在所述公铰链和母铰链上；所述一号锁定销轴和二号锁定销轴设置在所述连接小杆上，所述二号锁定销轴穿过所述二号锁定销轴孔固定在所述母铰链上，所述驱动销轴的直径范围为 6. 00 7. 96mm，所述一号锁定销轴和二号锁定销轴的直径为6mm。
6.如权利要求1或2所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于，所述太阳电池阵帆板包括零号帆板、一号帆板、二号帆板和三号帆板，所述活动机架和零号帆板之间、所述零号帆板和一号帆板之间、所述一号帆板和二号帆板之间、所述二号帆板和三号帆板之间均通过所述间隙铰链相连接。
7.如权利要求1、2或6所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于，所述摆动机构包括 二号步进电机、一号摆动同步带轮和二号摆动同步带轮；所述二号步进电机设置在所述模拟墙上，所述一号摆动同步带轮安装在所述二号步进电机上，所述二号摆动同步带轮设置在所述零号帆板的上部，所述一号摆动同步带轮和二号摆动同步带轮之间连接有同步带。
8.如权利要求1、2或6所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于，所述展开机构包括 一号同步带轮、二号同步带轮、三号同步带轮、四号同步带轮、五号同步带轮、六号同步带轮和花兰螺栓；所述一号同步带轮设置在所述活动机架的下部，所述二号同步带轮设置在所述一号帆板的下部，所述一号同步带轮和二号同步带轮之间绕有钢丝绳索带；所述三号同步带轮设置在所述零号帆板的上部，所述四号同步带轮设置在所述二号帆板的上部，所述三号同步带轮和所述四号同步带轮之间绕有所述钢丝绳索带；所述五号同步带轮设置在所述一号帆板的下部，所述六号同步带轮设置在所述三号帆板的下部，所述五号同步带轮和六号同步带轮之间绕有所述钢丝绳索带，所述钢丝绳索带上还安装有花兰螺栓。
9.如权利要求1、7或8所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于，所述一号同步带轮、 所述二号摆动同步带轮和零号帆板上的间隙铰链同轴放置；所述二号同步带轮、所述三号同步带轮和一号帆板上的间隙铰链同轴放置；所述四号同步带轮、所述五号同步带轮和二号帆板上的间隙铰链同轴放置；所述六号同步带轮和三号帆板上的间隙铰链同轴放置。
10.如权利要求1至9所述的太阳电池阵模拟装置，其特征在于，还包括电阻式角位移传感器、微型拉力传感器和加速度传感器，所述电阻式角位移传感器设置在所述太阳电池阵帆板的间隔之间，且与所述间隙铰链同轴；所述微型拉力传感器串联设置在所述钢丝绳索带上；所述加速度传感器设置在所述太阳电池阵帆板的标志点处。
全文摘要
一种太阳电池阵模拟装置，包括框架、定向机构、悬吊机构、间隙铰链、太阳电池阵帆板、摆动机构和展开机构，定向机构设置在框架的侧部，摆动机构设置在定向机构上，悬吊机构设置在框架的顶部，悬吊机构和定向机构连接着太阳电池阵帆板，间隙铰链设置在太阳电池阵帆板之间，展开机构设置在太阳电池阵帆板上。本发明能测试在不同驱动参数情况下太阳电池阵展开的运动学特性，能模拟不同铰链间隙与多种机械故障情况下太阳电池阵的展开。
文档编号G01R31/26GK102253322SQ201110121839
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月11日 优先权日2011年5月11日
发明者吴嘉宁, 张宝生, 阎绍泽 申请人:清华大学