專利名稱：可自旋展開的薄膜太陽電池陣及其在太空的應用的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及航天器太陽電池陣的結構，更具體地說是涉及航天器柔性薄膜太陽電池陣的結構及其收卷、展開和控制機構，以及薄膜電池陣在太空的應用。
現(xiàn)有航天器大都采用太陽能電源，太陽能電池陣的安裝方式分為體裝式和帆板式。對日定向的太陽電池帆板比體裝式太陽電池陣能提供更大功率的電源。為進一步提高太陽能電池陣的比能量(功率與重量之比)。美國休斯公司曾采用“柔性卷式太陽能電池帆板”(見《空間站和空間平臺》第396～397頁)這種柔性帆板由于需要剛性的伸展機構，尺寸不可能做得很大，比能量仍不夠高(47瓦/公斤)。因此“柔性卷式太陽能電池帆板”并未被廣泛采用。
本發(fā)明的目的是實現(xiàn)一種收卷時體積很小，便于航天器攜帶升空，入軌后可在自旋狀態(tài)下有序展開的大面積、輕質(zhì)的薄膜太陽電池陣，并提供這種薄膜太陽電池陣在各種航天器上的應用方案。
本發(fā)明的實施方案如下由眾多長條形的薄膜太陽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并維持其陣列形狀。薄膜電池在展開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用途，一是將薄膜電池上產(chǎn)生的電流導入中軸，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度纖維，使張力基本由纖維承擔。相鄰薄膜電池之間的連線為輕質(zhì)高強度的柔軟纜索或編織帶。
條形薄膜電池的形狀可以是長寬比大于3的矩形，也可以是一端窄，另一端寬的長條形，(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卷盤及其控制、驅(qū)動機構。在展開前，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)部的多個卷盤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，電纜卷盤及其控制、驅(qū)動帆構固定在外環(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，中軸開始自旋(以自身的中軸線為軸)，綁帶在遙控指令下自動斷開脫落，薄膜在自旋的離心力作用下逐漸展開，由于相鄰條形薄膜之間有線纜相連，從而展開為一個平面陣列。
本發(fā)明在各種航天器上的應用薄膜太陽電池陣可用于各種需要大功率電源的衛(wèi)星。需要對日定向的衛(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(如對地定向)的衛(wèi)星可通過萬向支架連接可折疊支桿，再通過支桿連接到中軸，這樣衛(wèi)星和薄膜太陽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，使整個系統(tǒng)的體積保持最小。
薄膜太陽電池陣可用于空間站建設中的國際空間站經(jīng)航天飛機多次發(fā)射才將重達幾十噸的太陽電池翼板送入軌道，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電池陣，重量約1噸多，只需一次發(fā)射就可入軌并自動展開。
薄膜太陽電池陣可用于太陽能電火箭目前離子推進器已廣泛用于衛(wèi)星姿態(tài)控制和軌道維持，美國航空航天局1998年發(fā)射的“深空1號探測器”和歐洲航天局2003年發(fā)射的“SMART-1月球探測器”都是采用離子推進器作為末級主推發(fā)動機的，現(xiàn)在這兩個探測器都已圓滿完成了實驗計劃，證明了離子火箭發(fā)動機長期工作的可靠性。目前限制離子發(fā)動機提高推力的瓶頸就是電力，現(xiàn)有的太陽電池帆板的比能量太低，(約40瓦/公斤)不能提供強大電力，加大太陽帆板的面積不僅會使重量大增，結構強度也難以達到要求。而薄膜太陽電池陣的比能量高(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能電火箭作為末級火箭，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。由于電火箭比化學火箭的“推力比”高10倍，可節(jié)約大量燃料，太陽能電火箭作為末級，將大大降低前級火箭的重量，節(jié)約發(fā)射費用。配備薄膜太陽電池陣的大功率電火箭特別適于深空探測和人類登陸月球和火星的長途飛行。大功率的太陽能電火箭還可作為軌道轉(zhuǎn)移飛行器(OTV)長期運行于地球軌道，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)移飛行器的推進劑可由其他航天器定期補充。
本發(fā)明與現(xiàn)有航天器的太陽電池陣相比具有以下顯著的優(yōu)點薄膜太陽電池陣的單位面積重量很輕，只有傳統(tǒng)太陽電池帆板的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。
薄膜太陽電池陣的面積可以達到傳統(tǒng)太陽電池帆板的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，特別適用于太陽能電火箭。裝備太陽能電火箭的衛(wèi)星可大大提高衛(wèi)星的軌道維持能力和機動能力，成倍延長衛(wèi)星的使用壽命。裝備大功率太陽能電火箭的深空探測器和飛船，可顯著提高航行速度，縮短探測周期或往返時間。


圖1、完全展開的矩形薄膜太陽電池陣(正面視圖)圖2、完全展開的矩形薄膜太陽電池陣(立體示意圖)圖3、完全展開的扇形薄膜太陽電池陣(正面視圖)
圖4、完全展開的扇形薄膜太陽電池陣(立體示意圖)圖5、薄膜電池內(nèi)側(cè)加強桿的連接示意圖。
圖6、中軸的軸側(cè)示意7、內(nèi)側(cè)加強桿在(條形薄膜電池陣)中軸表面的排列示意8、內(nèi)側(cè)加強桿在(扇形薄膜電池陣)中軸表面的排列示意9、展開過程中的薄膜太陽電池陣示意10、葉片傾斜的薄膜太陽電池陣示意11、收攏狀態(tài)的傘骨結構剖視12、內(nèi)裝傘骨的中軸外觀13、展開狀態(tài)的傘骨結構剖視14、裝有滑塊的外側(cè)加強桿剖面示意15、薄膜太陽電池陣與航天器用支桿連接的示意16、薄膜太陽電池陣與航天器用拖曳電纜連接的示意17、薄膜太陽電池陣與空間站的連接示意圖1圖18、薄膜太陽電池陣與空間站的連接示意圖2圖19、采用薄膜太陽電池陣的太陽能電火箭示意圖A圖19a太陽能火箭的示意20、采用薄膜太陽電池陣的太陽能電火箭示意圖B以下結合附圖對本發(fā)明的具體實施方案進行詳細說明實施例1由矩形薄膜太陽電池構成的電池陣圖1所示為矩形薄膜電池構成的電池陣完全展開后的正面視圖，中軸(1)位于陣列的中央，薄膜太陽電池(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(5)和內(nèi)圈連線(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)加強桿(3)和內(nèi)側(cè)加強桿(4)，用于保護薄膜電池并控制薄膜的方向。圖2為上述薄膜太陽電池陣的立體示意圖，(數(shù)字圖標的含意在本說明書的所有附圖中都是一致的。圖中各部件的名稱不再贅述。)由圖2可見，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后，在離心力的作用下，環(huán)形的陣列有向外擴張的趨勢。由于外圈連線(5)和內(nèi)圈連線(6)的約束，都只能擴大到由內(nèi)、外圈連線和加強桿的長度所決定的最大半徑。電纜和內(nèi)、外圈連線的長度、以及薄膜電池的長度、寬度都必須保持一定的比例關系，所有尺度都由完全展開后的薄膜電池陣的結構尺寸確定。圖5是圖1的局部結構放大圖，以便于觀察內(nèi)側(cè)加強桿(4)與電纜(7)以及內(nèi)圈連線(6)的連接方式，內(nèi)圈連線(6)與內(nèi)側(cè)加強桿(4)的連接點M、N不在桿的端部，而在離桿端部25％——30％桿長度的地方，而內(nèi)圈連線(6)的長度，為加強桿長度的50％—60％，(這是為了使薄膜電池展開后盡量縮小內(nèi)圈半徑，并使薄膜處于一個平面上)。薄膜電池卷繞在中軸上時，內(nèi)側(cè)加強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)加強桿(4)平行地排列在中軸(1)的外面，內(nèi)圈連線(6)將相鄰的加強桿(4)互相連接。如果內(nèi)側(cè)加強桿彼此間的距離為a，桿的長度為b，要求展開后相鄰的內(nèi)側(cè)加強桿端部之間的距離趨近于0，則連接點M、N到桿端部的距離為(a2+b2)/4b，內(nèi)圈連線(6)的長度為(a2+b2)/2b。
內(nèi)圈連線(6)也可以連接到相鄰內(nèi)側(cè)加強桿(4)的端部，但須在其端部內(nèi)安裝小型線軸及驅(qū)動微電機，內(nèi)圈連線(6)卷繞在線軸上。在薄膜電池處于收卷狀態(tài)時，內(nèi)圈連線(6)露出的長度略大于加強桿的長度。薄膜電池陣展開后，微電機驅(qū)動線軸將連線收攏，使相鄰的內(nèi)側(cè)加強桿(4)端部距離趨近于零，從而令展開的薄膜處于一個平面內(nèi)。通過收、放內(nèi)圈連線(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電纜卷盤(10)，電纜卷盤的軸上裝有驅(qū)動電機(11)，各卷盤上的電纜穿過外圈壁上的電纜穿孔(9)與置于凹槽(12)內(nèi)的內(nèi)側(cè)加強桿(4)相連。中軸(1)的長度為薄膜電池(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，(這種卷繞方式稱為“同向重疊卷繞”。)卷繞完畢后用專用綁帶扎緊。該綁帶可由遙控信號自動斷開，以便薄膜自旋展開。
圖9是上述薄膜電池陣的展開過程示意圖；中軸(1)套在圓柱型的衛(wèi)星(26)外面，按逆時針方向旋轉(zhuǎn)(俯視觀察)，卷繞的薄膜電池(2)已部分展開，連接相鄰薄膜電池的外圈連線(5)牽制著薄膜的展開過程，使外側(cè)加強桿(3)由垂直逐漸傾斜。(薄膜電池完全展開后變?yōu)樗綘顟B(tài)。)在展開過程中，內(nèi)側(cè)加強桿(4)由于內(nèi)圈連線(6)的牽拉也逐漸由垂直變?yōu)樗剑贡∧る姵匦纬梢粋€幅射狀的平面陣列。由于外圈連線(5)較長，在薄膜展開前，部分連線可以盤卷在外側(cè)加強桿(3)的內(nèi)部，在展開過程中逐漸被拉出。
由上述展開過程可知，在薄膜太陽電池陣未完全展開時，所有薄膜都是傾斜的，(類似于風車的葉片)。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(6)和內(nèi)側(cè)加強桿(4)所構成)和外圈(由外圈連線(5)和外側(cè)加強桿(3)所構成)變松弛，在電纜垂直分力的牽拉下，內(nèi)側(cè)加強桿和外側(cè)加強桿都發(fā)生扭轉(zhuǎn)，從而使葉片傾斜。傾斜的葉片由于太陽光壓的作用，會對薄膜電池陣產(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期運行，空間的微阻力(包括低軌道的氣動阻力，重力梯度、太陽幅射等)會使自旋的航天器轉(zhuǎn)速慢慢下降，需要定期啟動姿控火箭加旋。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，從而可以長期在空間運行。
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電池陣就像真正的風車一樣，依靠稀薄氣流的作用加旋。安裝于中軸(1)內(nèi)的電纜卷盤(10)和驅(qū)動電機(11)不僅可以通過收、放電纜來控制葉片的傾角，還可以通過對部分電纜的收、放來調(diào)節(jié)薄膜太陽電池陣的重心位置，使其與中軸的軸心重合，從而避免因電池陣的自旋運動對航天器產(chǎn)生干擾。
圖1所示的薄膜太陽電池陣列，如果其直徑為30米，則按圖中比例，每條薄膜長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2.1米，電纜長度為4.8米。以下?lián)擞嬎氵@個薄膜電池陣的重量中軸(1)外徑1米，壁厚3厘米，由碳纖維復合材料制成的蜂窩結構組成，重19.2公斤；電纜芯線為截面積4mm2的多股鋁線，外皮絕緣層中植入了高強度纖維，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；加強桿直徑3厘米，長2米，為碳纖維加強的薄壁空心管，每根重280克，32根總重9公斤；電纜卷盤和微電機每套400克，32套總重12.8公斤。薄膜電池陣的所有部件合計總重91.5公斤。外層空間每平米太陽幅射功率按1.3KW計，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)帆板式太陽能電池陣高10倍以上。一個直徑為100米的薄膜太陽電池陣，電池總面積為3555平方米，發(fā)電功率達416KW，總重1.2噸，用火箭一次即可發(fā)射入軌并自動展開。(國際空間站完全建成后，其巨大的太陽電池陣總功率也只有200多KW，重達50噸以上。)直徑100米左右的薄膜太陽電池陣還是中等規(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)射入軌并自動展開，其功率可達1萬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為薄膜的長度)。由于薄膜卷繞在中軸上，其寬度必須略小于中軸的長度，而中軸的長度一般不能超過15米，所以加大薄膜電池陣的面積主要靠增加薄膜的數(shù)量和薄膜的長度。
實施例2 由扇形薄膜電池構成的電池陣圖3所示為扇形薄膜電池構成的電池陣完全展開后的正面視圖扇形薄膜太陽電池(8)呈幅射狀排列成圓形，相鄰薄膜電池由外圈連線(5)和內(nèi)圈連線(6)相連，薄膜電池靠近陣列中央的一端裝有內(nèi)側(cè)加強桿(4)，加強桿的兩端由電纜(7)連接到陣列中央的中軸(1)。(由于相鄰的兩根內(nèi)側(cè)加強桿端部距離很近，分別由兩個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平面內(nèi)，因此薄膜電池的傾角無法調(diào)節(jié)，也就無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，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。(類似于折扇的折疊方式)。扇形薄膜電池陣處于收卷狀態(tài)時，其內(nèi)側(cè)加強桿(4)在中軸(1)上的排列如圖8所示內(nèi)側(cè)加強桿的長度明顯短于中軸(1)的長度(因為中軸的長度必須大于等于扇形薄膜的最大寬度。)電纜(7)穿過中軸壁上的電纜穿孔(9)分別連接到相鄰的兩根加強桿的端部。扇形薄膜電池陣的優(yōu)點是，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，所需電纜卷盤和驅(qū)動電機的數(shù)量也少一半。但扇形薄膜電池陣只適用于中、小規(guī)模。
對于要求不高的小規(guī)模薄膜太陽電池陣，也可以取消電纜卷盤和驅(qū)動電機，將電纜與薄膜電池一起卷繞在中軸的外表面。(但這樣就無法調(diào)節(jié)葉片傾角和電池陣重心了)。
實施例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的體積，便于航天器攜帶升空，應盡量減小中軸的直徑。而中軸直徑小于展開后的薄膜電池陣的直徑的5％時，對薄膜電池陣的控制作用很弱，為了解決這一問題，可在中軸內(nèi)部采用一種類似傘骨架的結構，如圖11所示中軸(43)外部為細長的圓柱形殼體，傘柱(44)貫穿中軸(43)的中心，在其端部裝有上盤(18)，傘骨(19)與上盤(18)通過鉸鏈連接，而電纜卷盤(10)就套在鉸鏈的軸上。傘骨(19)是用碳纖維復合材料制成的空心管，電纜(7)從電纜卷盤(10)上穿入中空的傘骨(19)內(nèi)，從傘骨另一端穿出。撐桿(17)的一端通過鉸鏈(14)連接傘骨(19)，另一端通過鉸鏈連接到下盤(15)，下盤(15)套在傘柱(44)上，可沿傘柱上下滑動。
在傘柱(44)兩端，上、下對稱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，在中軸(43)壁上平行于母線開了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。當薄膜電池全部展開，內(nèi)側(cè)加強桿(4)也開始脫離中軸表面時，下盤(15)開始向上推動(下部傘骨架的下盤向下推動)通過撐桿(17)和鉸鏈(14)撐開傘骨(19)，傘骨完全撐開后如圖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，大大加強了對薄膜陣列的控制作用。
實施例4葉片可翻轉(zhuǎn)的薄膜太陽電池陣由于太陽能電火箭運動方向的變化，太陽能電池陣有可能背對陽光。如果太陽能電池陣的葉片能夠翻轉(zhuǎn)則可圓滿解決這一問題，為此，只需將薄膜電池的內(nèi)圈連線(6)和外圈連線(5)與加強桿的固定式連接改為可移動式連接。
圖(14)為連接點可移動的外加強桿剖面示意圖外側(cè)加強桿(3)內(nèi)部上端安裝了微電機(20)和驅(qū)動輪(21)，在桿下端裝有滑輪(25)，在驅(qū)動輪(21)和滑輪(25)上套有牽引索(22)，兩個滑塊(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，滑塊上連接著外圈連線(5)。微電機(20)在遙控信號下，通過驅(qū)動輪(21)和牽引索(22)控制滑塊(23)在桿上滑動。內(nèi)側(cè)加強桿(4)與內(nèi)圈連線(6)也是采用可移動的連接方式，與外側(cè)加強桿(3)的結構基本相同。展開后的薄膜電池陣在遙控指令下，所有內(nèi)、外圈連線同時從加強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)過程中陣列的半徑會縮小，然后再復原，在這一過程中，電纜應適當收短再還原。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。
實施例5薄膜太陽電池陣與衛(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，衛(wèi)星保持相對靜止。這種連接方式只適用于對日定向的衛(wèi)星。
(B)萬向支架連接方案如圖15所示，衛(wèi)星(26)通過萬向支架(27)和可折疊的支桿(13)連接到薄膜電池陣的中軸(43)的端部。萬向支架(27)的形狀像一個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)可在萬向支架端部的軸上自由轉(zhuǎn)動，而萬向支架連同衛(wèi)星一起以支桿(13)為軸心轉(zhuǎn)動，這樣衛(wèi)星就可以獨立選擇任意定向方式，而薄膜電池陣可以保持對日定向。兩段支桿間以及支桿與中軸(43)端部之間用兩自由度的關節(jié)(29)相連，關節(jié)(29)的轉(zhuǎn)動角度是可控的。(內(nèi)部裝有驅(qū)動電機。)(C)電纜拖曳式連接方案如圖16所示，衛(wèi)星(26)通過萬向支架(27)和拖曳電纜(30)連接到薄膜電池陣中軸(43)的端部。太陽的光壓使薄膜電池陣漂泊于衛(wèi)星背陽的-側(cè)，這種衛(wèi)星與薄膜太陽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。)實施例6，薄膜太陽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)由桁架構成，主梁的一端通過支桿(13)連接到薄膜太陽電池陣(36)中央的中軸(43)端部，多個太空倉(34)安裝于橫梁(37)上，橫梁(37)通過主梁套筒(38)連接接到主梁桁架上。橫梁(37)可繞自身的軸線轉(zhuǎn)動；主梁套筒(38)可繞主梁的軸線轉(zhuǎn)動，從而帶動橫梁(37)繞主梁轉(zhuǎn)動，這樣，安裝于橫梁上的太空倉就可以采用任何定向方式。圖中(31)為安裝于太空倉上的天線，(33)為太空倉的對接口，(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，薄膜太陽電池陣(36)連接于空間站主梁(32)的中段，薄膜太陽電池陣的中軸(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(34)安裝于主梁兩側(cè)的橫梁(37)上。主梁(32)和薄膜電池陣對日定向，安裝于橫梁(37)上的太空倉可根據(jù)需要采取任何定向方式。
實施例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，當電火箭背向太陽飛行時，陣列正面將背對陽光，因此應采用實施例4所述的“葉片可翻轉(zhuǎn)的薄膜太陽電池陣”。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)與薄膜太陽電池陣(36)通過可折疊支桿(13)相連，這樣兩者可以采用不同的定向方式，使薄膜太陽電池陣能夠以最佳角度接受陽光。在太陽能電火箭直線飛行時，要求電火箭推力的作用線穿過整個航天器系統(tǒng)的質(zhì)心。
由于航天器在太空飛行沒有空氣阻力，因此航天器和電火箭的形狀不受限制，太陽能電火箭就像擎著一把巨大的陽傘在太空飛馳。太陽能電火箭是作為多級火箭的末級使用的，進入地球低軌道后，前級火箭脫落，薄膜太陽電池自旋展開，電火箭啟動，將航天器推上高軌道，或者脫離地球進行星際旅行。
如果太陽能電火箭的推力為30牛頓，系統(tǒng)(包括電火箭、有效載荷以及薄膜太陽電池陣)總體質(zhì)量為10噸，電火箭啟動累計工作13天后，火箭系統(tǒng)就可從入軌時的第一宇宙速度(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。(在這之前則可達到地球靜止軌道所需的速度。)太陽能電火箭累計工作34天后，系統(tǒng)可達到17公里/秒以上的速度。以這一速度飛往火星可以使往返時間由兩年左右縮短為幾個月，并且電火箭所需攜帶的推進劑只有化學火箭的1/10左右。
薄膜電池陣的結構及收卷和展開模式也可用于航天器的大尺度天線。
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，仍可采用電推進器進行軌道維持和姿態(tài)控制。
薄膜電池陣巳在地面上作過小規(guī)模試驗，成功地將收卷狀態(tài)的薄膜電池自旋展開為圓形平面陣列，并長期保持穩(wěn)定，由于存在空氣阻力和重力，使得試驗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，沒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。
以上實施例結合附圖對本發(fā)明作了詳細說明，但本發(fā)明不限于這些具體實施例，任何對本發(fā)明總構思所作的技術方案變換和修改，都不脫離本發(fā)明的總構思和權利要求范圍。
權利要求
1.可自旋展開的薄膜太陽電池陣由薄膜太陽電池、電纜、中軸以及連線所組成，其特征在于由眾多長條形的薄膜太陽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并維持其陣列形狀，在展開前薄膜電池收卷于中軸的外表面；薄膜太陽電池陣應用于各種航天器。
2.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣，其特征在于薄膜電池(2)為長寬比大于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)加強桿(3)，外圈連線(5)連接相鄰的外側(cè)加強桿(3)的端部；薄膜電池(2)靠近陣列中央的一端裝有內(nèi)側(cè)加強桿(4)，內(nèi)圈連線(6)與內(nèi)側(cè)加強桿(4)的連接點M、N分別到內(nèi)側(cè)加強桿兩端的距離為桿長的25％—30％，內(nèi)圈連線(6)的長度為桿長的50％—60％。
3.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣，其特征在于內(nèi)環(huán)連線(6)可以連接于內(nèi)側(cè)加強桿(4)的端部，在該加強桿內(nèi)，靠近端部設有小型線軸和驅(qū)動微電機，當薄膜電池陣展開后，微電機驅(qū)動線軸將內(nèi)圈連線(6)收進加強桿內(nèi)，使相鄰的內(nèi)側(cè)加強桿(4)端部彼此靠攏；改變內(nèi)圈連線(6)的長度可控制薄膜電池的傾角。
4.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣，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(10)及其驅(qū)動電機(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))，外壁上還設有多個電纜穿孔(9)，中軸(1)的長度大于薄膜電池(2)的寬度；薄膜電池(2)卷繞于中軸上時，其內(nèi)側(cè)加強桿(4)置于中軸表面的凹槽(12)內(nèi)，與內(nèi)側(cè)加強桿連接的電纜(7)穿過中軸上電纜穿孔(9)卷繞于電纜卷盤(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)自旋展開后，驅(qū)動電機(11)通過電纜卷盤(10)調(diào)節(jié)電纜(7)的長度，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)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣，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、下對稱地裝有兩套傘骨架，電纜(7)穿過中空的傘骨(19)連接于薄膜電池(2)的內(nèi)側(cè)加強桿(4)，中軸(44)殼壁的上、下各開有n條狹縫(16)，以便撐開傘骨架。
6.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣，其特征在于扇形薄膜太陽電池(8)呈幅射狀排列成圓形，相鄰薄膜電池由外圈連線(5)和內(nèi)圈連線(6)相連，薄膜電池靠近陣列中央的一端裝有內(nèi)側(cè)加強桿(4)，加強桿的兩端由電纜(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)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣，其特征在于薄膜電池(2)的外側(cè)加強桿(3)和內(nèi)側(cè)加強桿(4)上設有滑塊(23)，內(nèi)圈連線(6)和外圈連線(5)分別與內(nèi)、外加強桿上的滑塊相連，在微電機的驅(qū)動下，滑塊從加強桿的一端滑向另一端，從而實現(xiàn)薄膜電池的翻轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣應用于航天器，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。
9.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣應用于航天器，其特征在于薄膜電池陣的中軸(43)通過支桿(13)和萬向支架(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)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣應用于航天器，其特征在于薄膜電池陣中軸(43)的端部通過拖曳電纜(30)和萬向支架(27)連接到衛(wèi)星(26)，薄膜電池陣漂泊于衛(wèi)星背陽的一側(cè)。
11.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣應用于航天器，其特征在于空間站主梁(32)的一端通過支桿(13)連接到薄膜太陽電池陣(36)的中軸(43)端部，太空倉(34)安裝于可繞主梁(32)轉(zhuǎn)動的橫梁(37)上。
12.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣應用于航天器，其特征在于薄膜太陽電池陣(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(34)安裝于可繞主梁(32)轉(zhuǎn)動的橫梁(37)上。
13.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣應用于航天器，其特征在于薄膜電池陣(36)的中軸(43)的一端通過支桿(13)連接到電火箭(40)，電火箭推力的作用線穿過整個航天器系統(tǒng)的質(zhì)心。
14.根據(jù)權利要求1所述的薄膜太陽電池陣應用于航天器，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
薄膜太陽電池陣由條形的薄膜太陽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并維持其陣列形狀，薄膜電池在展開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電池帆板的幾十分之一，可用于各種衛(wèi)星、空間站和太陽能火箭。能成倍降低發(fā)射成本，提高航天器的供電功率，延長使用壽命。
文檔編號H02N6/00GK101013732SQ20071000685
公開日2007年8月8日 申請日期2007年1月31日 優(yōu)先權日2007年1月31日
發(fā)明者黃上立 申請人:黃上立