Космический аппарат с солнечной батареей и солнечная батарея

Космический аппарат с солнечной батареей и солнечная батарея относится к космической энергетике, к солнечным батареям. В качестве фотоэлектрического преобразователя в батарее используется аморфный кремний, сплав, наносимый на подложку из полимерной пленки. Особенностью СБ является ограничение по радиусу изгибу пленочной стеклоподобной поверхности (R_изг15 см), из-за возможности ее растрескивания и потери электрогенерирующей способности. Это обстоятельство усложняет конструкцию укладки и компоновки СБ на КА в уложенном состоянии и предъявляет дополнительные требования к системе раскрытия. Предлагаемая СБ представляет собой зонтик диаметром 250 см, состоящий из 8 секторов полимерной пленки, сшитых материалом ACT-100 в круговую структуру, вращающуюся со скоростью 90 об/мин. Чтобы компенсировать кинетический момент, создаваемый при вращении центробежной СБ, предусмотрена установка второго электродвигателя противоположного направления вращения электродвигателю, вращающего СБ, с маховиком, компенсирующим массу вращающейся части СБ, установленного на оси вращения центра масс СБ и работающего одновременно с первым электродвигателем. Сущность заявленного предложения заключается в том, что выбран метод компоновки и укладки СБ на КА и система раскрытия СБ на орбите. Предложена простая и надежная дешевая система компенсации кинетического момента, компоновки, укладки и раскрытия для малых КА, не требующая крупногабаритных механизмов хранения и раскрутки, площадью 5 м², суммарной мощностью 500 Вт. Техническим результатом является повышение надежности и снижение энергопотребления КА с СБ. 2 н.п. ф-лы, 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Полезная модель (ПМ) относится к космической технике, в частности, к космической энергетике, к солнечным батареям (СБ).

Известен аналог космического аппарата (КА) с СБ - КА с пленочной СБ на основе аморфного кремния с применением надувного трубчатого каркаса (патент RU 2309093 2006). В данном устройстве стабилизация КА осуществляется за счет работы двигателей ориентации КА, то есть за счет расхода рабочего тела. В предлагаемой разработке расхода рабочего тела на компенсацию кинетического момента не потребуется.

Наиболее близким аналогом по совокупности существенных признаков и достигаемому результату к полезной модели является КА с СБ (патент RU 2200115 2003), который и выбран прототипом к заявленному КА с СБ. Недостатком КА с СБ - прототипа является введение в состав КА двух одинаковых круговых СБ, вращающихся в противоположные стороны для компенсации кинетического момента, когда обе СБ располагаются по разные стороны от КА, на жестких штангах. Данная конструкция будет очень сложной и большой по объему, которая может не поместится в КА при транспортировке. Заявленная полезная модель свободна от указанных недостатков.

Сущность ПМ заключается в компенсации кинетического момента, создаваемого космическому аппарату при вращении СБ, путем установки такого же электродвигателя, что вращает СБ, но противоположного вращения, в удобном месте на КА, на оси вращения центра масс СБ и работающего одновременно с основным электродвигателем.

Указанный технический эффект достигается установкой на валу электродвигателя противоположного вращения, маховика, весом равном сумме веса вала СБ и веса СБ. Это можно отработать на земле.

Известен аналог СБ - пленочная СБ на основе аморфного кремния с применением трубчатого каркаса (патент RU 2309093 2006).

Недостатком указанной СБ является очень сложная и громоздкая система развертывания СБ, с большим количеством электроприводов и, как следствие, низкой надежностью. В заявленной полезной модели указанные недостатки отсутствуют.

Наиболее близким аналогом по совокупности существующих признаков и достигаемому результату к полезной модели является СБ (патент RU 2200115 2003), которая и выбрана прототипом к заявленной СБ. При этом СБ выполнена в виде отдельных секторов, образующих круговую плоскую поверхность. Недостатком СБ - прототипа является очень сложная конструкция и метод развертывания СБ, связанный с вращением КА вокруг продольной оси, что приводит к расходу рабочего тела и электроэнергии. В предлагаемой полезной модели указанные недостатки отсутствуют.

Заявленный КА с СБ и СБ поясняются следующими фигурами:

- на фиг.1 представлена структурная схема КА с СБ в развернутом и укомплектованном видах;

- на фиг.2 изображена конструкция и компоновка СБ перед помещением ее в контейнер;

- на фиг.3 изображен вид сверху открытого контейнера СБ с самой укомпонованной СБ;

- на фиг.4 представлен вид сверху открытого контейнера СБ, без самой СБ;

- на фиг.5 изображен вариант выполнения обгонной муфты с отталкивающей пружиной, обеспечивающей поддержание заданной скорости вращения СБ.

Полезная модель содержит:

Фиг.1

1 - солнечная батарея в укомпонованном виде

2 - вал солнечной батареи

3 - солнечная батарея в развернутом виде

4 - обтекатель КА

5 - выбрасывающие пружины

6 - контейнер с СБ

7 - обгонная муфта

8 - первый электродвигатель

9 - космический аппарат

10 - второй электродвигатель Фиг.2

11 - свинцовые шайбы, вшитые в материал

12 - патрубок из материала ACT-100

При этом для упрощения структурной схемы на фиг.1 вал солнечной батареи изображен одинарной линией, а не телескопическим (и состоящим из двух частей), как указано в п.2 формулы ПМ.

Фиг.3

13 - контейнер СБ

14 - укладка СБ по спирали

15 - вал из пенопласта

Фиг.4

16 - фланец

17 - пружины

18 - центрирующие шпильки

19 - отверстия под вал СБ

Фиг.5

1 - корпус датчика

2 - электропривод

3 - микровыключатель

4 - пружина

5 - обойма вала солнечной батареи

6 - вал обгонной муфты

7 - электродвигатель Д-15т

8 - вал электродвигателя

9 - соединительная муфта

10 - вал солнечной батареи

11 - обойма вала СБ

12 - уплотнение

13 - шарикоподшипники

14 - маховик

15 - обойма маховика обгонной муфты

16 - крышка

17 - пружина фрикциона

18 - толкатель

19 - корпус фрикциона

20 - ось

21 - рычаг

22 - винт-упор

23 - винт-ограничитель

24 - крышка

25 - упоры

26 - толкатель

27 - пружина

28 - колодка пружины

29 - двуплечий рычаг

30 - отталкивающая пружина

31 - ушко

32 - выступ корпуса

33 - корпус фрикциона

34 - винтовой паз фланца корпуса

35 - маховик

Космический аппарат с солнечной батареей и солнечная батарея функционируют следующим образом.

Преимуществом центробежных СБ является то, что развертывание СБ из уложенного (транспортного) положения осуществляется за счет центробежных сил. При постоянном вращении конструкция СБ, для преодоления сопротивления в элементах электромеханики (обгонной муфте, токосъемнике, подшипниках, редукторе электропривода), система управления израсходует дополнительную энергию для стабилизации КА (устранение вращения КА). Чтобы компенсировать кинетический момент вращающейся конструкции СБ предусмотрена установка точно такого же второго электродвигателя, но противоположного направления вращения первому, в удобном месте на КА, на оси вращения центра масс СБ и работающего одновременно с первым электродвигателем. Для этого на валу электродвигателя противоположного вращения установлен маховик, компенсирующий массу вращающейся части СБ. Это целесообразно отработать на земле.

Техническим результатом ПМ КА с СБ является компенсация кинетического момента КА путем обеспечения вращения второго электродвигателя в противоположном направлении вращению первого электродвигателя и вращающейся СБ с маховиком, компенсирующим массу вращающейся части СБ, установленного на оси вращения центра масс СБ и работающего одновременно с первым электродвигателем. При этом повышается надежность КА с СБ и снижается энергопотребление КА.

Особенностью СБ - прототипа является ограничение по радиусу изгиба пленочной стеклоподобной поверхности (R_изг15 см), из-за возможности ее растрескивания и потери электрогенерирующей способности. Это обстоятельство усложняет конструкцию укладки и компоновки СБ на космическом аппарате в уложенном состоянии и предъявляет дополнительные требования к системе раскрытия.

Предлагаемая СБ представляет собой зонтик диаметром 250 см, состоящий из 8 секторов полимерной пленки, уложенной по схеме (фиг.1), сшитых авиационной перкалью (материал ACT-100, имеет прочность на разрыв 800 кг/пог. метр) в круговую структуру, вращающуюся со скоростью до 90 об/мин, что обеспечивает напряженное состояние поверхности СБ за счет центробежных сил, а следовательно, хорошие энергогенерирующие свойства.

В полезной модели СБ укладывается в цилиндрический контейнер длиной L=52 см, диаметром D=40 см, установленный под обтекателем КА. Перед укладкой в контейнер круговая структура СБ, состоящая из 8 секторов, компонуется размером в один сектор (фиг.1 позиция 4).

В сложенном состоянии СБ намотана на пенопластовый (или другой упругий вал, не теряющий форму при перегрузке) диаметром D=30 см, длиной L=45 см, по спирали (фиг.2).

СБ приводится в рабочее состояние двумя пружинами (D_пр=10 см, Р _усил=5 кг), установленными на дне контейнера и удерживаемыми в сжатом состоянии обтекателем КА.

При выводе КА на орбиту в требуемый момент времени пружины поднимают СБ из контейнера, выше верхнего его фланца. СБ соединяется с обгонной муфтой через матерчатый патрубок с телескопическим валом СБ, состоящим из двух частей, соединенных между собой ходовым винтом, который вращается от электродвигателя, раскручивающим СБ.

Техническим результатом ПМ для центробежной СБ является компоновка 8 секторов СБ из полимерной пленки, сшитых материалом ACT-100 в круговую структуру с матерчатым патрубком по центру, укладки круговой структуры в размер одного сектора, намотки скомпонованного сектора на упругий вал D=30 см, и укладка в контейнер КА (фиг.1, 2), что приводит к повышению надежности СБ и снижению энергопотребления КА.

Заявленная ПМ осуществима и имеет промышленную применимость, поскольку все ее существенные признаки описаны в материалах заявки и ее аналоги широко применяются в космической технике.

Заявитель не претендует на защиту обгонной муфты с отталкивающей пружиной, обеспечивающей поддержку заданной скорости вращения СБ, и приводит пример ее реализации, подтверждающего возможность ее осуществления. При этом заявитель не приводит описание ее функционирования, которое однозначным образом следует из приведенной на фиг.5 ее структуры.

1. Космический аппарат с солнечной батареей, содержащий космический аппарат, обтекатель космического аппарата, солнечную батарею, вал солнечной батареи, соединяющий солнечную батарею и первый электродвигатель, контейнер солнечной батареи, при этом первый электродвигатель выполнен с возможностью вращения вала солнечной батареи, второй электродвигатель, отличающийся тем, что введены обгонная муфта, а в контейнер солнечной батареи - выбрасывающие пружины, при этом второй электродвигатель, работающий одновременно с первым электродвигателем, выполнен с возможностью противоположного направления вращения относительно первого электродвигателя и расположен на оси вращения центра масс солнечной батареи.

2. Космический аппарат с солнечной батареей по п.1, отличающийся тем, что вал солнечной батареи, соединяющий солнечную батарею и первый электродвигатель, выполнен телескопическим и состоит из двух частей, соединенных между собой ходовым винтом, выполненным с возможностью вращения от первого электродвигателя.

3. Солнечная батарея, содержащая сектора полимерной пленки, сшитые в круговую структуру, отличающаяся тем, что содержит Р, где Р=4, 8, 12, секторов полимерной пленки, при этом круговая структура выполнена с возможностью укладки в размер этого сектора, который наматывается на упругий вал с последующим размещением его в контейнере солнечной батареи.

4. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что сектора полимерной пленки сшиты материалом ACT-100, выполненным с возможностью осуществления перегибов секторов солнечной батареи относительно друг друга, без ограничения угла поворота.

5. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что по границам конца секторов в материале ACT-100 вшиты свинцовые шайбы диаметром D=3 мм, высотой h=0,5 мм.

6. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что в центре круговой структуры солнечной батареи вшит матерчатый патрубок из материала ACT-100, который натягивается на вал солнечной батареи и затягивается стяжным хомутом.

7. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что вал с намотанным на него пакетом секторов солнечной батареи установлен на пружины, расположенные на дне контейнера.

8. Солнечная батарея по п.3, отличающаяся тем, что упругий вал имеет диаметр D=30 см и выполнен из пенопласта.