支撑空间菲涅尔透镜聚光系统的轻量化“索-杆-梁”结构

技术领域

本发明属于轻量化“索-杆-梁”结构设计技术领域，涉及支撑空间菲涅尔透镜聚光系统的轻量化“索-杆-梁”结构。

背景技术

太阳能与核能、风能、潮汐能等新型能源相比，具有稳定、安全、且不受地形限制的特点。空间太阳能电站(Space Solar Power Station,空间太阳能电站)是一项复杂的能源解决方案，它将太阳能电池板或其他能源收集设备安置在太空中，收集太阳辐射能量，并将其进行转化、传输至地球或用于太空任务。

自美国科学家皮特·格拉塞博士于1968年提出空间太阳能电站以来，世界各国学者也纷纷提出多种收集空间太阳能并利用微波传输技术将其输送到地球的空间太阳能电站方案。至今，以美国为代表的研究团队已经提出了许多具有代表性的非聚光式与聚光式空间太阳能电站方案。非聚光式空间太阳能电站方案采用普通太阳能电池板设计，使得太阳光直接照射到太阳能电池板表面。由于其设计简单，可靠性强等特点，美国、日本和中国空间技术研究院均提出相应的空间太阳能电站方案。聚光式空间太阳能电站方案是指利用聚光反射镜或聚光菲涅尔透镜等光学器件，将太阳光聚焦在太阳能电池板上，使得单位面积收集到的能量更多，减小太阳能电池面积的同时增加空间太阳能电站的发电能力。因其高效能源收集能力、小型化设计和面对空间复杂工况的高适应性等特点，聚光式空间太阳能电站方案成为近年来的研究热点，具有代表性方案是美国SPS-ALPHA方案、对称二次聚光方案以及中国西安电子科技大学段宝岩院士团队的空间太阳能电站-OMEGA方案。

针对非聚光式空间太阳能电站方案，太阳能帆板系统作为非聚光式方案的关键组成部分，其总体构型经过了星体表面贴片式、桨式、刚性半刚性可展开式和大型柔性可展开式几个重要发展阶段。然而，随着空间站和空间望远镜等大型航天器的设计与应用，非聚光式太阳能帆板系统需要相对大的面积来收集足够的能量，这导致太阳能电池的覆盖面积增大，急剧增加了系统总体费用。

聚光式空间太阳能电站方案凭借聚光反射镜或聚光菲涅尔透镜等光学器件，有效提高空间太阳能电站系统的聚光能力并降低成本。为此，由聚光反射镜或聚光菲涅尔透镜等光学器件组成的聚光子系统是整个空间太阳能电站方案设计中的关键部分。然而，因大量光学器件的存在，使得聚光子系统的质量增大，进一步增加了总系统的控制难度。

发明内容

本发明的目的是提供支撑空间菲涅尔透镜聚光系统的轻量化“索-杆-梁”结构，利用质量较轻的绳索和豆荚杆将整个空间菲涅尔透镜聚光系统进行展开和固定，能够实现聚光系统的轻量化设计，解决了传统设计中复杂冗余的控制机构、控制难度大、结构稳定性差的问题。

本发明所采用的技术方案是，支撑空间菲涅尔透镜聚光系统的轻量化“索-杆-梁”结构，包括用于对日姿态调整控制的卫星平台，卫星平台通过绳索结构紧固连接菲涅尔透镜阵列、太阳能电池阵列，菲涅尔透镜阵列位于太阳能电池阵列正上方，菲涅尔透镜阵列、太阳能电池阵列均连接用于支撑、展开的豆荚支撑结构。

本发明的特点还在于：

绳索结构包括上拉索、中间索和下拉索，上拉索、下拉索均一端连接卫星平台，上拉索另一端连接菲涅尔透镜阵列，下拉索另一端连接太阳能电池阵列，中间索一端连接菲涅尔透镜阵列，另一端连接太阳能电池阵列。

上拉索、下拉索均为凯夫拉绳。

豆荚支撑结构包括豆荚上支撑杆、豆荚下支撑杆，豆荚上支撑杆连接菲涅尔透镜阵列，豆荚下支撑杆连接太阳能电池阵列。

豆荚上支撑杆、豆荚下支撑杆材料为碳钎维并且均为空心杆。

菲涅尔透镜阵列包括呈阵列排列的多个菲涅尔透镜，横向相邻菲涅尔透镜之间通过铰链a配合连接，纵向相邻菲涅尔透镜固定连接，每列首个菲涅尔透镜通过周边固定桁架连接卫星平台，每列末端菲涅尔透镜与绳索结构、豆荚支撑结构配合连接。

太阳能电池阵列包括多个呈阵列排列的电池模块，横向相邻的两个电池模块之间通过铰链b连接，纵向相邻的两个电池模块之间固定连接，每列电池模块两末端均连接周边拉索，每列首个电池模块通过太阳能电池阵列边框架连接卫星平台，每列末端电池模块通过绳索结构、豆荚支撑结构。

每个电池模块包括太阳能电池，每个太阳能电池底部贴合连接中空的散热桁架，散热桁架内底部连接热管。

散热桁架底部为铝蜂窝基板。

本发明的有益效果是：

1)本发明中菲涅尔透镜阵列与太阳能电池阵列可依次排列成可展开的阵列结构，非常适合于聚光式空间太阳能电站系统的实现与扩展。

2)本发明中采用多个独立的菲涅尔透镜阵列以及太阳能电池阵列组成，可实现较高的聚光效率和轻质化，在轨运行期间通过调整卫星姿态实现对日追踪，保证了能量的连续转换与输出。

3)本发明采用绳索、杆及铰链结构，能够实现菲涅尔透镜阵列与太阳能电池阵列的同步控制，有效避免复杂冗余的展开控制机构，同时也能够消除其额外质量带来的控制难度。

4)本发明轻量化“索-杆-梁”结构仅需很小的电力进行驱动，通过聚光系统收集和存储的电能完全能够实现自给自足。

5)本发明中采用绳索和豆荚杆结构进行支撑固定，菲涅尔透镜阵列与太阳能电池阵列通过绳索和豆荚杆结构到达力平衡，没有相互运动，避免了两者之间额外的固定支撑，形式简单，结构稳定。

附图说明

图1是本发明支撑空间菲涅尔透镜聚光系统的轻量化“索-杆-梁”结构的结构示意图；

图2是本发明的菲涅尔透镜阵列示意图；

图3是本发明的太阳能电池阵列示意图；

图4是本发明的电池模块的结构示意图；

图5是本发明的菲涅尔透镜阵列的周边固定桁架示意图；

图6是本发明的菲涅尔透镜阵列的模态分析示意图；

图7是本发明的整体结构收拢-展开工作示意图；

图8是本发明的工作原理图。

图中，101-卫星平台，102-上拉索，103-菲涅尔透镜阵列，104-中间索，105-太阳能电池阵列，106-豆荚上支撑杆，107-豆荚下支撑杆，108-下拉索，201-铰链a，202-菲涅尔透镜，203-周边固定桁架，204-铰链b，301-太阳能电池阵列边框架，302-周边拉索，303-太阳能电池，304-热管，305-散热桁架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明支撑空间菲涅尔透镜聚光系统的轻量化“索-杆-梁”结构，如图1所示，包括卫星平台101，卫星平台101通过绳索结构紧固连接菲涅尔透镜阵列103、太阳能电池阵列105，菲涅尔透镜阵列103位于太阳能电池阵列105正上方，菲涅尔透镜阵列103、太阳能电池阵列105均连接豆荚支撑结构，卫星平台101是对整体系统进行对日姿态调整，通过豆荚支撑结构对菲涅尔透镜阵列103、太阳能电池阵列105进行支撑、展开通过绳索对菲涅尔透镜阵列103、太阳能电池阵列105进行紧固。

其中，卫星平台101连接的菲涅尔透镜阵列103、太阳能电池阵列105的组数根据实际需求进行设置。

实施例1

如图1所示，本实施例中，绳索结构包括上拉索102、中间索104和下拉索108，上拉索102、下拉索108均一端连接卫星平台101，上拉索102另一端连接菲涅尔透镜阵列103，下拉索108另一端连接太阳能电池阵列105，中间索104一端连接菲涅尔透镜阵列103，另一端连接太阳能电池阵列105，上拉索102、中间索104和下拉索108用于紧固菲涅尔透镜阵列103和太阳能电池阵列105。

豆荚支撑结构包括豆荚上支撑杆106、豆荚下支撑杆107，豆荚上支撑杆106连接菲涅尔透镜阵列103，豆荚下支撑杆107连接太阳能电池阵列105，豆荚上支撑杆106和豆荚下支撑杆107用于支撑、展开菲涅尔透镜阵列103和太阳能电池阵列105，从而实现整个聚光子系统的正常工作和对日定向。

本发明中采用绳索、杆及铰链结构，实现了菲涅尔透镜阵列与太阳能电池阵列的同步控制，避免了复杂冗余的展开控制机构，同时也消除了其额外质量带来的控制难度。

采用本实施例中绳索结构和豆荚支撑结构进行支撑固定，能够使菲涅尔透镜阵列与太阳能电池阵列达到力平衡，没有相互运动，避免了两者之间额外的固定支撑，形式简单，结构稳定。

实施例2

如图2所示，本实施例中，菲涅尔透镜阵列103包括呈阵列排列的多个菲涅尔透镜202，横向相邻菲涅尔透镜202之间通过铰链a201配合连接，纵向相邻菲涅尔透镜202固定连接，每列首个菲涅尔透镜202通过周边固定桁架203连接卫星平台101，每列末端菲涅尔透镜202与绳索结构、豆荚支撑结构配合连接。由于单个菲涅尔透镜202横向之间通过铰链a201配合连接，菲涅尔透镜202纵向固定连接，通过铰链a201便于对每列菲涅尔透镜202进行收缩及扩展。

如图3所示，太阳能电池阵列105包括多个呈阵列排列的电池模块，横向相邻的两个电池模块之间通过铰链b204连接，纵向相邻的两个电池模块之间固定连接，每列电池模块两末端均连接周边拉索302，每列首个电池模块通过太阳能电池阵列边框架301连接卫星平台101，每列末端电池模块通过绳索结构、豆荚支撑结构。由于单个电池模块横向之间通过铰链b204配合连接，电池模块纵向固定连接，通过铰链b204便于对每列电池模块进行收缩及扩展。

当卫星平台101检测到需要对日姿态调整时，驱动豆荚支撑结构对菲涅尔透镜阵列103、太阳能电池阵列105进行收缩，便于本发明轻量化“索-杆-梁”结构进行姿态调整，随后驱动豆荚支撑结构对菲涅尔透镜阵列103、太阳能电池阵列105进行展开。

实施例3

如图4所示，本实施例中，每个电池模块包括太阳能电池303，每个太阳能电池303底部贴合连接中空的散热桁架305，散热桁架305内底部连接热管304，通过热管304将太阳能电池303产生的热量进行传递，从而将热量散出。

散热桁架305底部为铝蜂窝基板，再保证散热能力的同时进一步降低质量。

如图5所示，菲涅尔透镜阵列均具有周边固定桁架203进行支撑固定，以500mm×500mm×1.5mm的菲涅尔透镜为例，周边固定桁架的截面尺寸分为“C”字形。前者用于第一级菲涅尔透镜阵列并与卫星平台进行相互配合连接，后者用于其余菲涅尔透镜阵列。

如图6所示，菲涅尔透镜阵列103与上拉索102、中间索104以及豆荚上支撑杆106进行配合连接。为了保证豆荚上支撑杆106和豆荚下支撑杆107能有效展开并且在展开中不发生失稳现象，需要对其进行压杆稳定性分析。为此以7组菲涅尔透镜阵列为例，共包含28块500mm×500mm×1.5mm的菲涅尔透镜进行失稳分析。此外，在空间中聚光子系统的固有频率对整个系统有着非常重要的作用，为此以7组菲涅尔透镜阵列为例进行了模态分析。表一给出7组菲涅尔透镜阵列完全展开状态下，豆荚上支撑杆106和豆荚下支撑杆107的长度，在不同临界压力下计算得到对应的最小外直径、杆壁厚和质量。表2给出7组菲涅尔透镜阵列完全展开状态下的前五阶频率。需要注意的是，上拉索102和中间索104均为凯夫拉绳，豆荚上支撑杆106和豆荚下支撑杆107材料为碳钎维并且均为空心杆。为了保证在实际工程中的可靠性，工作安全因数取5。

表1

表2

如图7所示，以7组菲涅尔透镜阵列103和太阳能电池阵列105为例进行了收拢和展开过程示意图。由豆荚上支撑杆106和豆荚下支撑杆107进行驱动展开，上拉索102、中间索104以及下拉索108起到力平衡和固定作用。

本发明支撑空间菲涅尔透镜聚光系统的轻量化“索-杆-梁”结构的工作原理为：

如图8所示，在太阳同步轨道上，由卫星平台101搭载两扇菲涅尔透镜阵列103和两扇太阳能电池阵列105绕地球进行周期运动。由于搭载火箭内部空间有限，整个系统在初始阶段处于收拢态，到达太阳同步轨道时，菲涅尔透镜阵列103和两扇太阳能电池阵列105在豆荚上支撑杆106和豆荚下支撑杆107的驱动作用下，通过铰链a201进行展开。最终，通过上拉索102、中间索104以及下拉索108进行平衡，保证整个聚光子系统的稳定。

通过上述方式，本发明支撑空间菲涅尔透镜聚光系统的轻量化“索-杆-梁”结构，包括多个菲涅尔透镜阵列和太阳能电池阵列，每个菲涅尔透镜阵列之间通过铰链a进行连接，每个太阳能电池阵列之间通过铰链b进行连接，多个阵列模块一端于卫星平台固定连接，位于菲涅尔透镜阵列和太阳能电池阵列两侧的豆荚支撑结构起到支撑作用，菲涅尔透镜阵列和太阳能电池阵列的平衡与展开通过绳索和豆荚支撑结构实现。本发明利用质量较轻的绳索和豆荚支撑结构将整个空间菲涅尔透镜聚光系统进行展开和固定，避免了传统设计中复杂冗余的控制机构，具有结构稳定，构型简单、易扩展的特点。