Устройство вращения центробежной солнечной батареи космического аппарата
Полезная модель (ПМ) относится к космической технике, в частности, к космической энергетике, а именно, к солнечным батареям (СБ). Для развертывания СБ из уложенного (транспортного) положения в устройстве используется раздвижная шариковая тяга, которая при своем вращении поднимает СБ из контейнера выше торца корпуса космического аппарата (КА), а при полностью выдвинутом винтовом шариковом механизме становится тягой для раскрутки СБ. При вращении центробежной СБ возникает кинетический момент, компенсацию которого обеспечивает данное устройство за счет маховика, вращающегося в направлении, противоположном вращению СБ. Раздвижная шариковая тяга расположена в гильзе, имеет корпус фланцевый с тремя фланцами. В одном из фланцев на шарикоподшипнике установлена шестерня угловая ведущая, связанная с электродвигателем и обгонной муфтой и находящаяся в зацеплении с двумя шестернями угловыми ведомыми. Одна из ведомых шестерен выполнена с обеспечением возможности вращения раздвижной шариковой тяги, а на ведомую шестерню насажен маховик, установленный на 2-м фланце. Ведомые шестерни посажены на радиально-упорные шарикоподшипники, поджатые пружинами. Третий фланец выполнен с возможностью установки резервного электродвигателя. Техническим результатом использования «Устройства вращения центробежной СБ КА» является: 1. Экономия топлива за счет компенсации кинетического момента, возникающего в результате вращения СБ, маховиком, вращающемся в направлении, противоположном направлению вращения СБ. 2. Снижение веса, энергопотребления и упрощение конструкции СБ. 3. Увеличение срока активного существования КА с СБ за счет использования резервного двигателя.
Полезная модель (ПМ) относится к космической технике, в частности, к космической энергетике, а именно, к солнечным батареям (СБ).
Преимуществом сверхлегких тонкопленочных СБ на основе аморфного кремния является то, что они просты конструктивно, дешевы в производстве, обладают малой массой на единицу генерируемой мощности.
Преимуществом центробежных СБ является то, что развертывание СБ из уложенного (транспортного) положения, поддержание формы в рабочем положении и обеспечение напряженного состояния поверхности СБ осуществляется за счет центробежных сил, что обеспечивает хорошие электрогенерирующие свойства и большой токосъем.
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 аналоге КА с центробежной СБ, ориентация СБ на солнце осуществляется как с помощью двигателей ориентации КА (т.е. за счет расхода топлива), так и независимо от положения КА за счет работы электронных блоков автоматики управления СБ с помощью двух электродвигателей, соединенных валом с каркасом, на котором расположены СБ (т.е. за счет расхода электроэнергии).
В предлагаемой ПМ расхода топлива и электроэнергии на компенсацию кинетического момента вращающейся конструкции центробежной СБ КА не потребуется.
В космическом пространстве усложняются условия эксплуатации изделий электронной техники. При ионизирующих излучениях космического пространства они работают нестабильно. В них происходят необратимые изменения электрофизических параметров материалов из-за разрушения их кристаллической структуры. Чтобы не расходовать топливо на компенсацию кинетического момента КА (устранение вращения КА), создаваемого вращающейся конструкцией центробежной СБ и не использовать электронную автоматику для ориентации СБ, целесообразно компенсировать кинетический момент вращающейся конструкции центробежной СБ на КА путем установки на КА «Устройства вращения центробежной СБ КА», имеющего маховик, весом равный сумме веса элементов конструкции вращающейся центробежной СБ, который вращается на оси вращения центра масс СБ в противоположном направлении вращению СБ от одного и того же электродвигателя, что вращает СБ.
Наиболее близким аналогом по совокупности существующих признаков и достигаемому результату к полезной модели является КА с пленочной центробежной СБ (патент RU 2200115, 2001), который и выбран прототипом к заявленному КА с СБ. Идентичность предлагаемой ПМ с аналогом в том, что аналог имеет сплошную круговую структуру, в которой обеспечивается напряженное состояние поверхности СБ за счет центробежных сил, а, следовательно, будут реализованы хорошие электрогенерирующие свойства и большой токосъем. 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, очень сложная и большая по объему, может не поместиться в КА при транспортировке. Заявленная ПМ свободна от указанных недостатков.
Основной проблемой для центробежных СБ, кроме поддержания формы и напряженного состояния поверхности СБ, является компенсация кинетического момента, создаваемого вращающейся конструкцией центробежной СБ.
При постоянном вращении конструкции центробежной СБ, для преодоления сопротивления в элементах электромеханики (обгонной муфте, токосъемнике, подшипниках, редукторе электропривода и др.) система управления расходует дополнительную энергию для стабилизации КА (устранение его вращения). Так, при проведении космического эксперимента на американском КА с центробежной СБ в течение одного месяца потребовалось около 30 кг топлива для работы двигателей ориентации КА. Известно, что запуск 1 кг груза на орбиту стоит порядка 10000 долларов.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве вращения СБ КА, содержащем СБ, электродвигатель и тягу, тяга расположена в гильзе, выполнена раздвижной шариковой и имеет корпус фланцевый с тремя фланцами. В одном из фланцев на шарикоподшипнике установлена шестерня угловая ведущая, находящаяся в зацеплении с двумя шестернями угловыми ведомыми и связанная с электродвигателем и обгонной муфтой. Одна из шестерен угловых ведомых выполнена с обеспечением возможности вращения раздвижной шариковой тяги. На другую шестерню угловую ведомую, вращающуюся в противоположном направлении, насажен маховик, установленный на втором фланце. Обе шестерни угловые ведомые посажены на поджатые пружинами радиально-упорные и упорно-опорные шарикоподшипники. Третий фланец выполнен с возможностью установки резервного электродвигателя.
Техническим результатом использования «Устройства вращения центробежной СБ КА» является:
1. Экономия топлива за счет компенсации кинетического момента, возникающего в результате вращения СБ, маховиком, вращающемся в направлении, противоположном направлению вращения СБ.
2. Снижение веса, энергопотребления и упрощение конструкции СБ.
3. Увеличение срока активного существования КА с СБ за счет использования резервного двигателя.
На фиг.1 изображена конструкция «Устройства вращения центробежной СБ КА».
На фиг.2 представлена структурная схема КА с СБ в развернутом виде. Устройство вращения центробежной солнечной СБ содержит:
1 - патрубок крепления СБ
2 - винт-упор
3 - щетка верхняя
4 - гильза раздвижной шариковой тяги
5 - винт шаровой пары
6 - шарики
7 - щетка нижняя
8 - шарикоподшипник радиально-упорный
9 - шарикоподшипник упорно-опорный
10 - шестерня угловая ведущая
11 - электродвигатель
12 - обгонная муфта
13 - сальник ведущей шестерни
14 - фланец установки электродвигателя
15 - фланец установки маховика
16 - маховик
17 - шарикоподшипники радиально-упорные
18 - шестерня угловая ведомая маховика
19 - фланец резервного электродвигателя
20 - шарикоподшипник
21 - сальник резервного фланца
22 - шестерня угловая ведомая СБ
23 - пружина
24 - корпус фланцевый раздвижной шариковой тяги
25 - гайка
26 - хомут стяжной
27 - гайка-подъемник
28 - шарикоподшипник ведущей шестерни
29 - солнечная батарея в развернутом виде
30 - раздвижная шариковая тяга
31 - контейнер для СБ в сложенном виде
32 - корпус фланцевый раздвижной шариковой тяги
33 - обгонная муфта
34 - электродвигатель привода ведущей шестерни
35 - маховик
36 - космический аппарат
37 - резервный электродвигатель
«Устройство вращения центробежной СБ КА» состоит из раздвижной шариковой тяги 30, имеющий фланцевый корпус 24 с тремя фланцами 14, 15 и 19 фиг.1. Тяга 30 расположена в гильзе и представляет собой винтовой механизм с парой качения, преобразующего вращение винта шариковой пары 5 в поступательной движение гайки-подъемника 27, что резко (~ в 7-8 раз) уменьшает трение по сравнению с обычной парой скольжения.
Особенностью винтовой пары (совокупность элементов 5 и 27) является то, что шарики помещены между гайкой 27 винтом 5. Это резко повышает КПД механизма.
Винт 5 и гайка 27 имеют резьбу специального профиля. Шарики 6 катаются по канавкам, делают два оборота, набегают на отсечной зуб в гайке 27 и направляются в обводной канал внутрь гайки, а из обводного канала поступают опять в рабочий канал. На торцах гайки 27 имеются верхняя и нижняя щетки 3 и 7, соответственно, выполненные из войлока, пропитанного смазкой для очистки и смазки беговой дорожки шариков 6.
На фланце 14 корпуса раздвижной шариковой тяги на шарикоподшипнике 28 установлена шестерня угловая ведущая 10, которая находится в зацеплении с двумя шестернями угловыми ведомыми и связана с электродвигателем 11 и обгонной муфтой 12.
Шестерня угловая ведомая 18 установлена на фланце 15 и связана с маховиком 16, имеющим вес, равный весу всех элементов конструкции вращающейся СБ.
Фланец 19 выполнен с возможностью установки резервного электродвигателя.
Шестерня угловая ведомая маховика 18, а, следовательно, и маховик 16, будут вращаться на оси вращения центра масс СБ в направлении противоположном направлению вращения шестерни угловой ведомой СБ а, следовательно, и вращению СБ, чем и достигается компенсация кинетического момента от вращающейся конструкции центробежной СБ.
На шестерни угловые ведомые 18 и 22, как более нагруженные, установлены шарикоподшипники: радиально-опорные 8 и упорно-опорные 9. Фланец 19 предназначен для установки резервного электродвигателя (на фигурах не показан), который будет использован при остановке (выходе из строя) основного электродвигателя 11, что необходимо для увеличения срока активного существования КА с СБ.
При выводе на орбиту КА и сбросе обтекателя раздвижная шариковая тяга начинает вращаться электродвигателем и поднимает СБ из контейнера выше торца корпуса КА, а при полностью выдвинутом винтовом шариковом механизме становится тягой для раскрутки СБ. Как известно из аналогов, роль выбрасывающих и раскручивающих центробежную СБ устройств выполняют различные конструктивные элементы, а в предлагаемой ПМ эти функции выполняет одна раздвижная шариковая тяга.
1. Устройство вращения центробежной солнечной батареи космического аппарата, содержащее солнечную батарею, электродвигатель и тягу, отличающееся тем, что тяга расположена в гильзе и выполнена раздвижной шариковой, имеет корпус фланцевый с тремя фланцами, в одном из которых на шарикоподшипнике установлена шестерня угловая ведущая, находящаяся в зацеплении с двумя шестернями угловыми ведомыми и связанная с электродвигателем и обгонной муфтой, при этом одна из шестерен угловых ведомых выполнена с обеспечением возможности вращения раздвижной шариковой тяги, а на другую шестерню угловую ведомую, вращающуюся в противоположном направлении, насажен маховик, установленный на втором фланце, обе шестерни угловые ведомые посажены на поджатые пружинами радиально-упорные и упорно-опорные шарикоподшипники.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что третий фланец выполнен с возможностью установки резервного электродвигателя.
