Солнечная батарея космического аппарата большой площади

Изобретение относится к космической энергетике и конкретно к пленочным солнечным батареям (СБ), преимущественно на основе аморфного кремния. Предлагаемая СБ содержит центральный силовой элемент и выполнена из двух секций, каждая из которых сформирована с помощью однотипных пленочных трехгранных призм на основе надувного трубчатого каркаса. Внешняя поверхность каркаса покрыта составом, затвердевающим под действием ультрафиолетового и видимого излучений Солнца. В систему развертывания СБ входят два электродвигателя из состава центрального силового элемента и дополнительный электродвигатель. Эти двигатели соединены своими входами с выходами каналов тангажа, рыскания и крена блока управления СБ. В состав СБ введены дополнительные электродвигатели положения, реализующие дискретный разворот каждой пленочной трехгранной призмы на угол от 0 до 360° с шагом 120°. Представлены модификации описанной выше СБ, в частности наличие в ее составе резервных пленочных панелей, что может вдвое увеличить активный срок функционирования СБ. Техническим результатом изобретения является создание относительно простой по конструкции СБ большой площади (с суммарной мощностью ˜120 кВт), которая при развертывании трансформируется в пленочную СБ с жестким трубчатым каркасом, обеспечивающим надежное натяжение пленочных панелей. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к космической энергетике и, в частности, к надувным пленочным солнечным батареям (СБ) большой площади преимущественно на основе аморфного кремния, формируемым с помощью надувного трубчатого каркаса. Такие надувные пленочные СБ могут быть использованы в составе космических аппаратов различного целевого назначения (КА РЦН).

Повышение эффективности КА РЦН связано с ростом их энерговооруженности до значений 30-240 кВт с прогнозируемым их использованием в ближайшие 10-15 лет. В настоящее время на космических аппаратах используются планарные СБ с кремниевыми фотоэлектрическими преобразователями (ФЭП), имеющие КПД 12-14%. Использование современных облегченных сотопанелей с кристаллическим кремнием позволяют иметь удельную мощность порядка 40 Вт/кг.

Одним из возможных направлений совершенствования СБ является переход на 2-х (или 3-х) каскадные ФЭП из арсенида галия с КПД 25-28%. При этом достигается удельная мощность порядка 80 Вт/кг. Однако такие ФЭП на порядок дороже кремниевых ФЭП.

Широкий комплекс требований, в том числе и финансовых, к энергоснабжению КА различного целевого назначения может быть успешно выполнен пленочными СБ с ФЭП на базе аморфного кремния.

Известно применение таких СБ на борту КА и орбитальных платформ (см., например, патент US 5527001 А, 18.06.1996).

В описании к этому патенту для натяжения пленочной поверхности СБ предлагается использовать стержневой трансформируемый каркас. Однако в реальных условиях космического полета надежного натяжения пленочной поверхности с помощью такого каркаса достигнуть не удается.

В тоже время имеются отечественные и зарубежные разработки динамических, а также надувных конструкций СБ, способных обеспечить надежные развертывания и формостабилизацию гибких пленочных поверхностей в условиях космоса (SU 1758988 A1, SU 1815925 A1, RU 1713221 С, RU 2053940 C1, RU 2104231 C1, GB 1176184 A и др.).

Наиболее близким аналогом изобретения является СБ (патент RU 2200115 С2), содержащая гибкое пленочное основание и установленные на нем модули фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) на основе аморфного кремния, между которыми предусмотрены перегибы основания для укладки батареи в транспортное положение, барабан для намотки сложенной батареи, снабженный средствами вращения вокруг его продольной оси для развертывания батареи в рабочее положение и фиксаторами батареи в транспортном положении, указанное гибкое пленочное основание выполнено в виде отдельных секторов, образующих в развернутом положении круговую плоскую поверхность, перпендикулярную указанной продольной оси (оси вращения).

Данная СБ связана с устройством ее установки и развертывания, расположенным на стыковочном агрегате космического аппарата (ТКА "Прогресс"), имеющего в своем составе систему наддува.

СБ представляет собой бескаркасную крупногабаритную космическую конструкцию, формируемую центробежными силами и рассчитанную на ресурс надежной работы в течение 15 лет с прогнозируемой деградацией в 20% (на конец ресурса), в несколько раз меньшей стоимостью по сравнению с СБ из кристаллического кремния на каркасе из сотовых панелей.

Недостатком известной СБ является наличие жесткой (или полужесткой) связи конструкции самой СБ с конструкцией космического аппарата. Наличие такой постоянной связи увеличивает эксплуатационную нагрузку на систему ориентации и стабилизации КА в части дополнительного расхода рабочего тела, связанного с необходимостью проведения какого-либо орбитального маневра КА и последующего восстановления ориентации панелей СБ на Солнце.

Другой недостаток СБ-прототипа связан с центробежным принципом ее развертывания и формообразования. Наиболее распространенным вариантом компоновки подобной СБ является введение в состав КА двух одинаковых круговых пленочных батарей, вращающихся в противоположные стороны для компенсации кинетического момента, когда обе пленочные батареи располагаются по разные стороны от КА на жестких, например, углепластиковых штангах. При переориентации самого КА на вращающемся гибком пленочном диске СБ возникает сложный колебательный процесс. В общем случае необходимо численное решение задачи нахождения форм и частот колебаний такого гибкого пленочного диска в сложном движении.

Задачей предлагаемого изобретения является создание надувной пленочной СБ большой площади с суммарной мощностью 120 кВт и с общей массой 250,0 кг, которая при развертывании трансформируется в пленочную СБ с жестким трубчатым каркасом, выполненным с возможностью надежного натяжения пленочных панелей и получения устойчивой пространственной конструкции всей СБ.

При этом панели СБ предполагается постоянно ориентировать на Солнце независимо от ориентации самого космического аппарата.

Данная задача решается тем, что СБ выполнена из двух секций, каждая из которых сформирована с помощью однотипных трехгранных призм на основе надувного трубчатого каркаса, внешняя поверхность которого покрыта составом, затвердевающим под воздействием ультрафиолетового и светового излучений Солнца, трубчатый каркас выполнен из продольных ребер и поперечных нервюр, причем на каждую грань трехгранной призмы натянута пленочная панель, две из которых оборудованы фотоэлектрическими преобразователями на основе аморфного кремния, кроме того, торцевые из поперечных нервюр каждой из трехгранных призм соединены с помощью валов, дополнительно введенных в состав трехгранных призм электродвигателей положения, с двумя надувными элементами поперечной вилкообразной балки, при этом каждый надувной элемент поперечной вилкообразной балки также покрыт составом, затвердевающим под воздействием ультрафиолетового и светового излучений Солнца, и формирует жесткий поперечный элемент конструкции секции СБ. Соединения валов дополнительных электродвигателей положения с двумя жесткими поперечными элементами выполнено с возможностью дискретного разворота каждой из трехгранных призм в диапазоне углов 0÷360° с шагом 120°. Каждый из двух жестких элементов вилкообразной балки соединен с центральным силовым элементом СБ, выполненным в форме куба из композиционного материала, при этом два электродвигателя из состава центрального силового элемента и дополнительный электродвигатель, входящие в систему развертывания СБ, соединены по входу с выходами каналов тангажа, рыскания и крена блока управления СБ соответственно, кроме того, выходной вал одного электродвигателя из состава центрального силового элемента жестко соединен с одним концом трубчатой штанги, выполненной из композиционного материала, на другом конце которой установлен дополнительный электродвигатель, имеющий жесткую связь с конструкцией космического аппарата, а выходные валы второго электродвигателя из состава центрального силового элемента жестко соединены с надувными элементами поперечной вилкообразной балки.

В предлагаемом варианте надувной пленочной СБ суммарная площадь 2-х секций СБ может быть сформирована за счет конкретных размеров ширины и длины боковой поверхности объемной надувной трехгранной призмы и соответствующей корректировки поперечных и продольных размеров элементов трубчатого каркаса, а также за счет габаритных размеров поперечной вилкообразной балки и продольной трубчатой балки.

При этом общее количество дополнительных электродвигателей положения, реализующих возможность дискретного разворота всех объемных призм, определяется с учетом общего количества самих трехгранных призм из состава 2-х секций СБ.

Общее количество секций СБ в составе космического аппарата может варьироваться в зависимости от потребляемой мощности бортовой аппаратуры КА, например от двух секций до восьми.

Энерговооруженность такой СБ может меняться в диапазоне от 30 до 240 кВт.

Кроме того, может варьироваться также выходная мощность конкретной бортовой СБ за счет полного или частичного использования рабочих поверхностей трехгранных призм (оснащенных модулями ФЭП) и пленочных поверхностей, на которых модули ФЭП отсутствуют. Для реализации подобных режимов энергоснабжения необходима корректировка схемы переключения дополнительных электродвигателей положения из состава СБ большой площади, обеспечивающих дискретный разворот этих призм.

Модули ФЭП могут выполняться в виде прямоугольных пластинок с тонкой двухслойной пленочной подложкой, покрытых аморфным кремнием. Ширина единичного ФЭП 50 мм, длина 350 мм. Толщина аморфного кремния составляет 3 микрона, толщина двухслойной подложки составляет 20 микрон. Единичные ФЭП наклеиваются на пленку объемной трехгранной призмы толщиной 10 микрон.

При уровне энерговыделения 100 Вт/м² для суммарной мощности 120 кВт потребуются три СБ с суммарной площадью 1200 м². При этом габаритные размеры одной СБ прямоугольной формы составят 21,0×20,5 м.

Установка трех таких прямоугольных СБ на автономном КА потребует введения в состав этого КА трех жестких дополнительных трубчатых штанг, выполненных из углепластика и разнесенных в угловом секторе относительно друг друга на угол 120°.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена конструкция СБ.

На фиг.2 представлена единичная объемная надувная трехгранная призма с наклеенными модулями ФЭП.

На фиг.3 представлен вариант компоновки СБ мощностью 80 кВт на космическом аппарате.

Предложенная СБ (см. фиг.1 и 2) содержит центральный силовой элемент 1, выполненный из композиционного материала и имеющий форму куба. На верхней поверхности куба установлен электродвигатель из состава центрального силового элемента 2, соединяющий силовой элемент 1 с жесткой трубчатой продольной балкой 3, выполненной из углепластика. На конце этой балки закреплен дополнительный электродвигатель 4, соединяющий силовую балку 3 с элементом конструкции космического аппарата 5, оснащенного системой наддува.

Во внутреннем объеме центрального силового элемента 1 размещен еще один электродвигатель 6, на выходном валу которого закреплены два поперечных силовых элемента 7 поперечной вилко-образной балки, входящие в состав элементов конструкции левой секции 8 и правой секции 9 СБ.

На обоих силовых поперечных элементах 7 поперечной вилко-образной балки установлены дополнительные электродвигатели положения 10, выходные валы которых соединены с силовыми торцевыми поперечными нервюрами 11, входящими в состав объемных трехгранных призм 12.

На двух смежных поверхностях объемной трехгранной призмы 12 смонтированы модули ФЭП 13 основной панели СБ и модули ФЭП 14 резервной панели СБ. Поверхность 15 объемной трехгранной призмы 12 выполнена из прозрачной пленки.

Электродвигатель из состава центрального силового элемента 2 осуществляет разворот обоих секций СБ по каналу рыскания, электродвигатель центрального силового элемента 6 выполняет разворот секций 8 и 9 по каналу тангажа, дополнительный электродвигатель 4 выполняет разворот СБ по каналу крена.

Дополнительные электродвигатели положения 10 предназначены для дискретной смены положения рабочих поверхностей 13, 14 и 15 объемной трехгранной призмы 12: поверхность с ФЭП 13 основной панели - поверхность с ФЭП 14 резервной панели - прозрачная поверхность 15.

На двух торцевых поперечных нервюрах 11 каждой из секции 8 и 9 СБ закреплены надувные трубчатые каркасы 17 и 18 сферической формы с натянутой на них пленкой и наклеенными на нее фотоэлектрическими преобразователями 19 на основе аморфного кремния.

Работа предлагаемой СБ осуществляется следующим образом. При выводе космического аппарата на орбиту обе секции 8 и 9 находятся в транспортном положении и уложены совместно с продольной силовой балкой 3 вдоль боковой поверхности КА под головным обтекателем.

После сброса головного обтекания и вывода КА на рабочую орбиту с помощью дополнительного электродвигателя 4 осуществляет разворот продольной балки 3 на угол 90° относительно транспортного положения. После этого осуществляется наддув продольных 16 и поперечных 11 трубчатых элементов каркаса объемных трехгранных призм 12, а также надувных силовых поперечных элементов 7 поперечной вилко-образной балки. Затем осуществляется наддув элементов трубчатого каркаса 17 и 18 дополнительных сферических панелей 19. Наддув осуществляется газообразным гелием, давление наддува порядка 0,005 атм.

Затем с помощью дополнительных электродвигателей положения 10 выполняются развороты всех объемных трехгранных призм 12, в результате которых прозрачные поверхности 15 будут освещаться Солнцем.

При таком положении объемных трехгранных призм 12 обеспечивается интенсивное ультрафиолетовое и световое излучений Солнца, необходимое для затвердевания поверхностного слоя продольных 16 и поперечных 11 элементов трубчатого каркаса. После заданного временного интервала выдержки такого положения секций 8 и 9 СБ осуществляется с помощью дополнительных электродвигателей положения 10, электродвигателя из состава центрального силового элемента 2, дополнительного электродвигателя 4 и электродвигателя из состава центрального силового элемента 6 программный разворот объемных трехгранных призм 12 и секций 8 и 9 с целью выполнения постоянной ориентации этих элементов СБ на Солнце.

Давление в элементах трубчатого каркаса 17 и 18 поддерживается до полного затвердевания поверхностного слоя этих элементов в течение нескольких суток.

При этом образуется жесткая пространственная конфигурация СБ. Эта конфигурация СБ сохраняет свою форму в течение всего длительного орбитального полета космического аппарата и не зависит от наличия давления наддува во внутренних полостях элементов трубчатого каркаса. Такие надувные пленочные СБ, трансформируемые в пленочные СБ с жестким трубчатым каркасом, предназначены для космических аппаратов различного целевого назначения.

На фиг.3 представлен вариант оснащения космического аппарата 2-мя комплектами предлагаемых надувных пленочных СБ с жестким трубчатым каркасом мощностью порядка 40,0 кВт каждая. В данном варианте в качестве элемента конструкции 5, входящего в состав космического аппарата, используется жесткое поворотное кольцо, установленное на боковой конической поверхности КА и оснащенное электроприводом для его перемещения на требуемый угловой сектор в диапазоне 0-360°.

При выходной суммарной мощности в 120 кВт общая масса конструкции таких СБ не превышает 250,0 кг, а удельная мощность достигает 440 Вт/кг. При этом пленочные СБ такого класса имеют относительно простую конструкцию с возможностью ее быстрого изготовления и оснащения такими СБ космических аппаратов нового поколения, приборный и научный состав которых требует мощного энергоснабжения. Наличие в составе СБ резервных пленочных панелей вдвое увеличивает активный срок ее функционирования.

Технологическая готовность предлагаемой СБ соответствует современному уровню производства в космической технике.

Источники информации

1. RU 2200115 C2, 10.03.2003.

2. FR 2152364 A, 27.04.1973.

3. SU 1815925 A1, 30.04.1995.

4. SU 1758988 A1, 20.06.1995.

5. RU 1713221 С, 27.01.1995.

6. RU 2053940 С1, 10.02.1996.

7. US 5527001 A, 18.06.1996.

8. RU 2104231 С1, 10.02.1998.

1. Солнечная батарея космического аппарата большой площади, содержащая центральный силовой элемент, систему развертывания и блок управления солнечной батареи, пленочные панели, оснащенные фотоэлектрическими преобразователями на основе аморфного кремния, два электродвигателя центрального силового элемента, элементы крепления и фиксирующие устройства, отличающаяся тем, что солнечная батарея связана с системой наддува космического аппарата и выполнена двухсекционной, а центральный силовой элемент выполнен в форме куба из композиционного материала, при этом один из указанных электродвигателей своим входом соединен с выходом канала рыскания блока управления солнечной батареи, а его выходной вал жестко соединен с одним концом трубчатой штанги, выполненной из композиционного материала, причем на другом конце штанги установлен дополнительный электродвигатель, своим входом соединенный с выходом канала крена блока управления солнечной батареи и имеющий жесткую связь с конструкцией космического аппарата, второй электродвигатель центрального силового элемента своим входом соединен с выходом канала тангажа блока управления солнечной батареи, а его выходные валы жестко соединены с двумя надувными элементами поперечной вилкообразной балки, на которых смонтированы обе секции солнечной батареи, при этом данные секции выполнены в виде однотипных объемных трехгранных призм с надувным трубчатым каркасом, состоящим из продольных ребер и поперечных нервюр, причем на каждую грань трехгранной призмы натянута пленочная панель, две смежные пленочные панели снабжены фотоэлектрическими преобразователями на основе аморфного кремния, а третья пленочная панель выполнена прозрачной, при этом торцевая нервюра каждой из трехгранных призм оснащена дополнительным электродвигателем положения, выходной вал которого жестко соединен с надувным элементом поперечной вилкообразной балки, при этом данное соединение выполнено с возможностью дискретного разворота каждой из трехгранных призм на угол от 0 до 360° с шагом 120°, причем наружные поверхности надувных элементов поперечной вилкообразной балки и элементы надувного трубчатого каркаса трехгранных призм обеих секций солнечной батареи покрыты составом, затвердевающим под действием ультрафиолетового и видимого излучений Солнца.

2. Солнечная батарея по п.1, отличающаяся тем, что каждая секция солнечной батареи оснащена двумя дополнительными сферическими панелями малой площади, установленными на концевых поперечных нервюрах трехгранных призм и выполненными в виде не менее двух надувных трубчатых каркасов сферической формы с натянутой на них пленкой и наклеенными на нее фотоэлектрическими преобразователями на основе аморфного кремния, при этом выход каждой дополнительной сферической панели через блок управления солнечной батареи подсоединен ко входу питания двух электродвигателей каналов тангажа и рыскания центрального силового элемента, а также подсоединен ко входу питания указанного дополнительного электродвигателя канала крена и ко входу питания дополнительных электродвигателей положения всех трехгранных призм.

3. Солнечная батарея по п.1 или 2, отличающаяся тем, что в ней вход управления указанных дополнительных электродвигателей положения солнечной батареи подключен к соответствующим выходам блока управления.