Система поворота солнечной батареи содержит корпус, полый вал с фланцем для стыковки солнечной батареи, привод для ее вращения, силовое и телеметрическое токосъемные устройства. Выходной вал функционально разделен на силовой фланец и вал с силовым токосъемным устройством. Телеметрическое токосъемное устройство установлено на своем валу и связано с выходным валом. Фланец выходного вала установлен в корпусе системы поворота солнечной батареи на опорном подшипнике с предварительным натягом или его поджатием через опорный подшипник к корпусу системы поворота солнечной батареи пружинами. Повышается надежность и снижаютса массы и габариты устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании системы поворота солнечной батареи (СПСБ).
Настоящее изобретение предназначено для вращения солнечной батареи (СБ) и передачи электроэнергий с солнечной батарей на космический аппарат.
Известна система поворота солнечной батарей (СПБС), патент US №4076191, состоящая из корпуса, вала с двумя фланцами для стыковки двух крыльев солнечной батарей, привода, токосъемных устройств. Силовые, передающие электрическую энергию, и телеметрические, передающие команды и телеметрическую информацию, токосъемные устройства расположены на валу, при этом привод поворачивает оба крыла СБ. Данное изобретение взято в качестве прототипа.
Недостатком этого устройства является наличие одного нерезервированного привода и, как следствие, пониженная живучесть аппарата. Вторым недостатком является массивная конструкция вала, обусловленная выполнением требования по необходимой изгибной жесткости вала. Кроме того, большой диаметр вала приводит к повышенному трению и износу токосъемных устройств.
Технической задачей изобретения является повышение надежности системы, снижение массы конструкции и повышение функциональных возможностей.
Поставленная задача достигается тем, что у СПБС, имеющего корпус, привод и вал, выходной вал устройства выполняется полым с силовым фланцем на конце. При этом силовое токосъемное устройство расположено на выходном валу снаружи, а телеметрическое установлено на своем валу. Телеметрическое токосъемное устройство соединено с выходным валом СПБС. Фланец выходного вала установлен на опорный подшипник с плоскими кольцами или поджат к корпусу пружинами. Участок выходного вала с установленным силовым токосъемным устройством исключен из жесткостной схемы конструкции и имеет размеры, оптимальные для обеспечения минимальной массы и необходимого ресурса токосъемного устройства.
Суть изобретения поясняется чертежом, где на фиг.1 изображен общий вид заявленного устройства с разрезом.
Система поворота солнечной батареи состоит из корпуса 1, привода 2, выходного вала 3, установленного на опорном подшипнике 4, силового токосъемного устройства 6, расположенного на выходном валу 3, и телеметрического токосъемного устройства 7, установленного на своем валу. Телеметрическое токосъемное устройство 7 может быть установлено во внутренней полости выходного вала 3 или снаружи и с ним связано. Повышенная жесткость конструкций достигается постоянным поджатием вала 3 к корпусу 1 за счет предварительного натяга опорного подшипника или поджатия тарельчатыми пружинами 8. Повышенная точность положения оси вращения выходного вала 3 достигается опорным подшипником с плоскими опорными кольцами 9. Зубчатое колесо 10 установлено на валу 5 привода 2. Зубчатое колесо 11 установлено на выходном валу 3.
При работе СПСБ привод 2 передает вращение на выходной вал 3. Вращение от привода на выходной вал 3 передается зубчатой передачей с зубчатыми колесами 10, 11.
Токосъемные устройства 6 и 7 передают электрическую энергию, команды и сигналы с вращающейся солнечной батареи на космический аппарат как при вращении, так и в остановленном состоянии. Постоянное поджатие выходного вала 3 к корпусу 1 через опорный подшипник 4 обеспечивается тарельчатыми пружинами 8 как при вращении, так и при остановке выходного вала.
Повышенная живучесть космического аппарата обеспечивается применением по одной СПСБ на каждое крыло СБ. Даже при отказе СПСБ одного крыла аппарат будет получать электрическую энергию с другого крыла и обеспечивать работу главных потребителей.
Снижение веса конструкции обеспечивается тем, что выходной вал 3 функционально разделен на силовой фланец до опорного подшипника 4 и вал силового токосъемного устройства. Силовой фланец может располагаться как внутри корпуса СПСБ, так и снаружи, как показано на фиг 1. Вал имеет меньшие габариты, меньшую массу и увеличенную изгибную жесткость за счет замыкания силовой схемы конструкции с фланца выходного вала непосредственно на корпус через опорный подшипник.
Усилие поджатия опорного подшипника (или предварительный натяг опорного четырехточечного подшипника) выбрано из следующего условия нераскрытия стыка при эксплуатационных нагрузках:
P>2·K·M/D, где
Р - усилие поджатия опорного подшипника, Н·м;
M - приведенный изгибающий момент при работе в штатном режиме, Н;
Уменьшение массы токосъемных устройств и повышение их ресурса работы достигается за счет того, что участок вала с установленным силовым токосъемным устройством исключен из жесткостной схемы конструкции и имеет размеры, оптимальные для токосъемного устройства. Телеметрическое токосъемное устройство капсульного типа установлено на своем валу, например, внутри выходного вала или стыкуется снаружи и имеет минимальную массу. Повышенный ресурс токосъемных устройств достигается возможностью реализации их с минимальным диаметром скользящих колец и, соответственно, пониженным трением.
Меньшие потери на трение токосъемных устройств позволяют уменьшить мощность привода, что приводит к снижению массы приводной части СПСБ.
В настоящее время на предприятии выпущена конструкторская документация на СПСБ заявленной конструкции и проведена наземная экспериментальная отработка системы. Испытания показали существенное уменьшение массы системы, увеличение ресурса работы, повышение жесткостных характеристик и надежности системы.
1. Система поворота солнечной батареи, имеющая корпус, полый вал с фланцем для стыковки солнечной батареи, привод для ее вращения, силовое и телеметрическое токосъемные устройства, отличающаяся тем, что выходной вал функционально разделен на силовой фланец и вал с силовым токосъемным устройством, а телеметрическое токосъемное устройство установлено на своем валу и связано с выходным валом, при этом фланец выходного вала установлен в корпусе системы поворота солнечной батареи на опорном подшипнике с предварительным натягом или его поджатием через опорный подшипник к корпусу системы поворота солнечной батареи пружинами.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что усилие предварительного натяга или поджатия опорного подшипника выбрано из следующего условия нераскрытия стыка при эксплуатационных нагрузках:
P>2·K·M/D,
где Р - усилие предварительного натяга или поджатия опорного подшипника, Н·м;
K - коэффициент запаса по внешним нагрузкам;
М - приведенный изгибающий момент при работе в штатном режиме, Н;
D - рабочий диаметр опорного подшипника (по шарикам), м.
Похожие патенты:
Изобретение относится к оборудованию космических аппаратов (КА) и, в частности, к подвижным элементам конструкции КА, имеющим электрическую связь с системой управления КА, например батареям солнечным (БС), антеннам, подвижным крышкам и др.
Изобретение относится к управлению ориентацией космического аппарата (КА) с неподвижными относительно корпуса КА панелями солнечных батарей (СБ). .
Изобретение относится к области космической техники и может быть использовано для определения и контроля интегральных параметров лучистого теплообмена планеты, вокруг которой обращается космический аппарат (КА).
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании выносных конструкций космических аппаратов, преимущественно антенн и солнечных батарей. Подкос солнечной батареи содержит двухзвенный механизм, на общей двум звеньям оси которого установлена пружина кручения с устройствами взведения. Одно звено установлено на раме солнечной батареи, а другое на корпусе космического аппарата. Перпендикулярно оси на одном из звеньев расположен подпружиненный шток для фиксации в конечном положении. На конце подпружиненного штока с возможностью поворота установлено коромысло, на обоих концах которого жестко закреплены подшипники качения, взаимодействующие с конусными пазами копиров, жестко установленных на противоположном подпружиненному штоку звене. В звеньях двухзвенного механизма выполнены отверстия под устройство фиксации начального положения звеньев, закрепленное посредством резьбового соединения. Достигается повышение надежности в работе подкоса и упрощение процесса установки солнечной батареи на корпус космического аппарата. 13 ил.
Изобретение относится к системам электроснабжения космических аппаратов (КА) с использованием солнечных батарей (СБ). Способ заключается в том, что определяют заданный угол СБ, измеряют ее текущий угол и вычисляют расчетный угол по угловой скорости СБ и времени ее вращения. Определяют углы разгона (αРАЗГ) и торможения (αТОРМ) СБ. Вращают СБ до достижения порога отпускания (αОТП ≈ αТОРМ), когда прекращается рассогласование между заданным и расчетным углами СБ. Перед началом управления запоминают заданный угол и принимают начальное значение расчетного угла за достоверное значение текущего угла. Задают порог рассогласования (αПР) этих углов исходя из углов αРАЗГ и αТОРМ, а также минимально допустимого и максимально возможного токов СБ. Разбивают круг датчика угла на равные дискретные сектора (ДС) величиной σ при условии: αРАЗГ + αТОРМ < σ < αПР. Биссектрисы ДС принимают за измеряемые значения. Задают период определения достоверного значения текущего угла на порядок и более превышающим максимальную длительность сбоя информации датчика и менее минимального интервала следования сбоев. Разбивают данный период на четыре равных интервала, и из анализа измеренных и запомненных значений на этих интервалах сбрасывают или формируют сигнал достоверности. В последнем случае вращают СБ до достижения рассогласованием между расчетным и заданным углами значения αОТП и тогда запоминают новое значение заданного угла. Техническим результатом изобретения является повышение живучести и эффективности системы управления ориентацией СБ при кратковременных сбоях информации, поступающей от датчика угла СБ. 4 ил.
Изобретение относится к системам электроснабжения космического аппарата (КА) с помощью солнечных батарей (СБ). Способ включает определение заданного и текущего углов ориентации СБ и угловой скорости (ωСБ) СБ. Вычисляют также расчетный угол и перед началом управления СБ присваивают ему значение измеренного угла, который запоминают. Вращают СБ в направлении уменьшения рассогласования между заданным и расчетным углами. Определяют времена и углы разгона (tРАЗГ, αРАЗГ) и торможения (tТОРМ, αТОРМ) СБ, а также максимально допустимый угол (αMAX) отклонения СБ, исходя из минимально допустимого и максимально возможного токов СБ. По этим углам задают порог срабатывания (αCP), при превышении которого формируют указанное рассогласование. Последнее не учитывают ниже порога отпускания (αОТП), по достижении которого вращение СБ прекращают. Расчетный угол СБ корректируют в пределах одного дискретного сектора (ДС) круга вращения СБ. Величина ДС зависит от углов αРАЗГ, αТОРМ и αCР. В зависимости от αCP и ωСБ задают пороговую величину времени контроля непрерывности изменения информации об угловом положении СБ. Отсчет этого времени контроля проводят, если текущий измеренный угол отличается от запомненного более, чем на один ДС, и прекращают в противном случае. Задают пороговую величину времени контроля направления вращения СБ в зависимости от tРАЗГ, tТОРМ, αMAX, ωСБ и величины ДС. Это время отсчитывают при нулевом времени контроля непрерывности, если знак рассогласования между измеренным и запомненным углами СБ не отвечает заданному направлению вращения СБ. В противном случае отсчет прекращают и обнуляют время контроля направления вращения. При этом в момент изменения текущего измеренного угла на один ДС задают расчетному углу значение границы между ДС и присваивают запомненному углу новое значение измеренного угла. Если время контроля непрерывности или время контроля направления вращения превышает свою пороговую величину, то формируют сигнал отказа и прекращают управление СБ. Техническим результатом изобретения является повышение живучести и эффективности системы управления ориентацией СБ. 3 ил.
Изобретение относится к системам электроснабжения космического аппарата (КА) с помощью солнечных батарей (СБ). Способ включает определение заданного угла ориентации СБ на Солнце по измеренному угловому положению нормали к рабочей поверхности СБ и вычисление расчетного угла относительно указанного положения нормали. Вращают СБ в направлении уменьшения рассогласования между заданным и расчетным углами. Определяют углы разгона (αРАЗГ) и торможения (αТОРМ) СБ. Корректируют расчетный угол в моменты изменения значений датчика угла на величину дискретного сектора (ДС) поворота СБ. Задают пороги срабатывания (αСР) и отпускания (αОТП), прекращая вращение СБ, если рассогласование между заданным и текущим углами начинает увеличиваться, но не более αСР. Задают угловую скорость вращения СБ на порядок и выше максимальной угловой скорости обращения КА вокруг Земли, а величину ДС - менее αСР. Задают рабочий угол (αРАБ) СБ из условия: αСР< αРАБ < (αГОР - 2·(αРАЗГ + αТОРМ)). Присваивают заданному углу значение углового положения ближайшего к нему луча угла αРАБ, если направление на Солнце в проекции на плоскость вращения указанной нормали находится вне αРАБ. Если угловое положение данной нормали находится вне αРАБ, изменяясь в направлении увеличения угла относительно ближайшего к нему луча угла αРАБ, то формируют сигнал отказа и прекращают управление СБ. Техническим результатом изобретения является исключение заклинивания и поломки панели СБ или бортового оборудования КА, при обеспечении максимально возможного тока в условиях ограничений на углы поворота СБ (напр., от 90° до 180°). 3 ил.
Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам для генерирования электрической энергии путем преобразования светового излучения в электрическую энергию, и может быть использовано при создании и производстве малоразмерных космических аппаратов с солнечными батареями (СБ). Техническим результатом изобретения является: повышение стойкости СБ к термоударам, к воздействию механических и термомеханических нагрузок, повышение технологичности конструкции, увеличение срока активного существования СБ космических аппаратов, повышение функциональных возможностей за счет расширения температурного диапазона функционирования и оптимизации конструкции СБ, упрощение коммутационной системы, что достигается путем повышения прочности соединения шунтирующих диодов и СЭ, повышение воспроизводимости процесса изготовления СБ космических аппаратов за счет оптимизации технологии изготовления шунтирующих диодов и СЭ СБ, а также коммутирующих шин, соединяющих СЭ и шунтирующие диоды, которые выполнены многослойными. Солнечная батарея для малоразмерных космических аппаратов содержит: панели с приклеенными на них модулями с солнечными элементами (СЭ), шунтирующий диод; коммутирующие шины, соединяющие лицевую и обратную стороны шунтирующего диода с СЭ, при этом шунтирующий диод установлен в вырезе в углу СЭ, при этом коммутирующие шины выполнены многослойными, состоящими из молибденовой фольги, с двух сторон которой последовательно нанесены слой ванадия или титана, слой никеля и слой серебра соответственно. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 4 ил., 3 табл.
Изобретение относится к управлению движением космических аппаратов (КА) с использованием сил давления солнечного излучения, распределенных по рабочим зонам КА. Последние формируют в виде плоских параллельных оптически прозрачных капельных потоков. Расстояние между каплями радиусом R в каждом потоке вдоль него (Sx) и в его фронтально-поперечном направлении (Sy) кратно. Число потоков составляет. Смещением потоков относительно друг друга по направлению их движения на расстояние формируют потоки капельной пелены числом. Каждый из указанных потоков смещен относительно предыдущего во фронтально-поперечном направлении на расстояние. Этим создают непрозрачность во фронтально-поперечном направлении и прозрачность в направлении плоскости, перпендикулярной потоку. Единичную распределенную силу светового давления регулируют изменением радиуса и количества капель, приходящих в точку ее приложения в единицу времени. Величину суммарного воздействия регулируют изменением числа капельных струй. Технический результат изобретения направлен на повышение эффективности использования распределенных внешних сил светового давления путем уменьшения их возмущающего действия на относительное движение КА. 3 ил., 1 табл.
Изобретение относится к управлению движением космического аппарата (КА), на котором размещены теплоизлучающий радиатор и солнечная батарея (СБ). Способ включает выполнение полета КА по орбите вокруг планеты с разворотом СБ в положение, соответствующее совмещению нормали к рабочей поверхности СБ с направлением на Солнце. Строят орбитальную ориентацию КА, при которой плоскость вращения СБ параллельна плоскости орбиты КА и СБ расположена относительно плоскости орбиты со стороны Солнца. Определяют высоту орбиты КА и угол между направлением на Солнце и плоскостью орбиты КА. Определяют значение (β*) данного угла, при котором длительность теневой части витка равна необходимому времени сброса тепла радиатором на витке. Определяют витки орбиты, на которых текущее значение данного угла больше β*. На этих витках выполняют повороты СБ вокруг поперечной и продольной осей вращения до достижения условий затенения радиатора СБ. При этом обеспечивают минимальное отклонение ориентации рабочей поверхности СБ на Солнце. Орбитальный полет КА выполняют по околокруговой орбите высотой не более некоторого расчетного значения. Технический результат изобретения состоит в повышении эффективности функционирования радиатора путем создания условий его естественного охлаждения при затенении СБ в любом положении КА на витке орбиты. 3 ил.
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано при проектировании системы поворота солнечной батареи
Перспективы развития радиоастрономии, солнечной энергетики, космической связи, исследования поверхности Земли и других планет непосредственно связаны с возможностью вывода в космос крупногабаритных конструкций. В настоящее время в России и за рубежом ведутся исследования, направленные на создание в космосе конструкций различного класса, имеющих большие габариты: космические телескопы и антенны, энергетические и научные платформы, крупногабаритные солнечные батареи (СБ) и т. П.
Одним из важных и бурно развивающихся направлений в области создания крупногабаритных космических конструкций является разработка раскрывающихся панелей СБ, а также антенн, устанавливаемых на космических аппаратах (КА) различного назначения.
По мере увеличения размеров и сложности КА серьезным конструктивным ограничением становится требование к размещению КА под обтекателем ракет-носителей. Это обусловило создание КА, имеющих различные конфигурации при транспортировке и в рабочем состоянии на орбите. В состав КА входят трансформируемые конструкции различных антенн, откидных штанг с установленными на них приборами и датчиками, панелей СБ и другие, которые в космосе раскрываются и принимают форму, необходимую для функционирования на орбите. Таким образом, современные КА представляют собой совокупность тел, связанных между собой определенным образом. Как правило, КА имеет основной массивный блок, к которому крепятся трансформируемые конструкции (рис. В1).
1 - солнечная батарея; 2 - датчик ориентации на Солнце; 3 - всенаправленная антенна S-диапазона; 4 - антенна C-диапазона (диаметр 1,46 м); 5 - многоканальная антенна (излучатель фазированной антенной решетки); 6 - управляемая антенна (K-S-диапазон единичного доступа, K-диапазон для линии связи космос - космос) (диаметр 4,88 м); 7 - направление вектора орбитальной скорости; 8 - направление на Землю; 9 - 30-элементная фазированная антенная решетка S-диапазона (многоканальная линия связи); 10 - управляемая антенна K-диапазона (линия связи космос - Земля) (диаметр 1,98 м); 11 - антенна K-диапазона (диаметр 1,13 м)
Поэтому, для того чтобы современный КА поместился под обтекатель ракетоносителя, все трансформируемые конструкции должны быть определенным образом уложены в компактное транспортное положение. После вывода КА на определенную орбиту все трансформируемые конструкции раскрываются по заданной программе. В общем случае число этапов приведения трансформируемых конструкций в рабочее положение может быть довольно большим (рис. В2).
1 - начальная конфигурация элементов перед развертыванием; 2 - расчековка и развертывание панелей солнечных батарей; 3 - фиксация штанг солнечных батарей; 4 - развертывание антенны линии связи космос - Земля; 5 - развертывание антенны C-диапазона; 6 - отделение межорбитального буксира IDS; 7 - развертывание штанг антенн единичного доступа и вращение антенн; 8 - окончательная конфигурация после развертывания всех элементов
В процессе движения элементов трансформируемых конструкций происходит фиксация их в определенном положении, при этом движение осуществляется как с помощью электроприводов, так и за счет энергии деформации различного рода пружин.
Таким образом, проблема создания навесных систем специального функционального назначения с габаритами, превышающими габариты КА, сводится к разработке складных конструкций, удовлетворяющих таким противоречивым требованиям, как минимальные масса и объем в сложенном транспортном состоянии, высокая надежность раскрытия из транспортного состояния в рабочее положение и функционирования на орбите, максимальная площадь рабочей поверхности в раскрытом состоянии, стабильные эксплуатационные характеристики в условиях действия нагрузок. Работоспособность таких конструкций определяется главным образом тем, насколько велики возникающие в них силы при раскрытии, поэтому обеспечение их надежного раскрытия связано с решением сложных задач механики.
Несмотря на достигнутые значительные успехи в области проектирования таких конструкций, важной остается задача обеспечения плавного и надежного раскрытия крупногабаритных конструкций при гарантированном обеспечении их последующего функционирования.
Современные тенденции в развитии космической техники диктуют необходимость создания КА высокой энерговооруженности и повышенного срока эксплуатации - 15 лет и более. Рост энерговооруженности КА влечет за собой увеличение полезной площади крыла СБ (рис. В3).
При этом их необходимо разместить в зоне полезного груза существующих средств выведения КА на орбиту. В этих условиях очевиден только один выход - строить крыло СБ, увеличивая число панелей, которые на этапе выведения КА на орбиту складываются в рациональный пакет. При наземных экспериментах не удается в достаточной мере воспроизвести реальные условия процесса раскрытия СБ и тем самым полностью подтвердить надежность и работоспособность системы раскрытия. Отказ или нештатное функционирование системы раскрытия СБ практически всегда ведет к возникновению аварийных ситуаций. Применение методов математического моделирования существенным образом определяет качество, сокращает сроки и стоимость разработки раскрывающихся многозвенных СБ. Это обеспечивает возможность детального информационного сопровождения всего периода разработки, изготовления, экспериментальной отработки и эксплуатации СБ, включая анализ надежности, прогноз отказов и аварийных ситуаций.
Более шестидесяти лет назад началась эра практической солнечной электроэнергетики. В 1954 году три американских ученых представили миру первые солнечные батареи, полученные на базе кремния. Перспективу получения бесплатной электроэнергии осознали очень быстро, и ведущие научные центры всего мира начали работать над созданием солнечных электроэнергетических установок. Первым «потребителем» солнечных батарей стала космическая отрасль. Именно здесь, как нигде более, нуждались в возобновляемых источниках энергии, так как бортовые батареи на спутниках довольно быстро исчерпывали свой ресурс.
И всего через четыре года солнечные батареи в космосе заступили на бессрочную трудовую вахту. В марте 1958 года США запустили спутник с солнечными батареями на борту. Менее чем через два месяца, 15 мая 1958 года, в Советском Союзе был выведен на эллиптическую орбиту вокруг Земли Спутник-3 с солнечными батареями на борту.
Первая отечественная солнечная электростанция в космосе
Кремниевые панели солнечных батарей были установлены на днище и в носовой части Спутника-3. Такое расположение позволило получать дополнительную электроэнергию практически непрерывно, независимо от положения спутника на орбите относительно солнца.
Третий искусственный спутник. Отчетливо видна солнечная батарея
Бортовые аккумуляторные батареи исчерпали свой ресурс за 20 дней, и 3 июня 1958 года большинство приборов, установленных на спутнике, были обесточены. Однако продолжали работать прибор для изучения излучения Солнца, радиопередатчик, отправляющий на землю получаемую информацию, радиомаяк. После истощения бортовых батарей эти устройства полностью перешли на питание от солнечных батарей. Радиомаяк работал практически тех пор, пока в 1960 году спутник не сгорел в атмосфере Земли.
Развитие отечественной космической фотоэнергетики
Об энергоснабжении космических аппаратов конструкторы задумывались еще на стадии проектирования самых первых ракет-носителей. Ведь в космосе батареи не заменить, значит, срок активной службы космического аппарата обусловлен только емкостью бортовых батарей. Первый и второй искусственные спутники земли были оснащены только бортовыми батареями, которые истощились через несколько недель работы. Начиная с третьего спутника, все последующие космические аппараты были оборудованы солнечными батареями.
Главным разработчиком и изготовителем космических солнечных электростанций было научно-производственное предприятие «Квант». Солнечные панели «Кванта» установлены практически на всех отечественных космических аппаратах. Вначале это были кремниевые солнечные батареи. Их мощность была ограничена как заданными размерами, так и весом. Но затем учеными «Кванта» были разработаны и изготовлены первые в мире солнечные батареи на основе совершенно нового полупроводника – арсенида галлия (GaAs).
Кроме того, были запущены в производство абсолютно новые гелиевые панели, которые не имели аналогов в мире. Этой новинкой стали высокоэффективные гелиевые панели на подложке, имеющей сетчатую или струнную структуру.
Гелиевые панели с сетчатой и струнной подложкой
Специально для установки на космических аппаратах с низкими орбитами были спроектированы и изготовлены кремниевые гелиевые панели с двусторонней чувствительностью. Например, для российского сегмента международной космической станции (космического аппарата «Звезда») были изготовлены панели на кремниевой основе с двусторонней чувствительностью, причем площадь одной панели составляла 72 м².
Солнечная батарея космического аппарата «Звезда»
Были также разработаны на базе аморфного кремния и запущены в производство гибкие солнечные батареи, имеющие прекрасные удельные весовые характеристики: при весе всего 400 г/м² эти батареи вырабатывали электроэнергию с показателем 220 Вт/кг.
Гибкая гелиевая батарея на базе аморфного кремния
Чтобы повысить эффективность солнечных элементов, в большом объеме проводились наземные исследования и испытания, которые выявляли отрицательные воздействия Большого Космоса на гелиевые панели. Это позволило перейти к изготовлению солнечных батарей для космических аппаратов различных типов со сроком активной работы до 15 лет.
Космические аппараты миссии «Венера»
В ноябре 1965 года с интервалом в четыре дня к нашей ближайшей соседке – Венере – стартовали два космических аппарата – «Венера-2» и «Венера-3». Это были два абсолютно одинаковых космических зонда, основная задача которых состояла в посадке на Венеру. На обоих космических аппаратах были установлены солнечные батареи на основе арсенида галлия, которые хорошо зарекомендовали себя на предыдущих околоземных аппаратах. За время полета вся аппаратура обоих зондов работала бесперебойно. Со станцией «Венера-2» было проведено 26 сеансов связи, со станцией «Венера-3» ─ 63. Таким образом, была подтверждена высочайшая надежность солнечных батарей этого типа.
Из-за сбоев аппаратуры управления была потеряна связь с «Венерой-2», но станция «Венера-3» продолжала свой путь. В конце декабря 1965 по команде с Земли была произведена коррекция траектории, и 1 марта 1966 года станция достигла Венеры.
Данные, полученные в результате полета этих двух станций, были учтены при подготовке новой миссии, и в июне 1967 года к Венере была запущена новая автоматическая станция «Венера-4». Так же, как и две ее предшественницы, она была оборудована арсенид-галлиевыми солнечными батареями общей площадью 2.4 м². Эти батареи поддерживали работу практически всей аппаратуры.
Станция «Венера-4». Внизу – спускаемый аппарат
18 октября 1967 года после отделения спускаемого аппарата и входа его в атмосферу Венеры станция продолжала свою работу на орбите, выполняя в том числе и роль ретранслятора сигналов с радиопередатчика спускаемого аппарата на Землю.
Космические аппараты миссии «Луна»
Солнечными батареями на базе арсенида галлия были «Луноход-1» и «Луноход-2». Солнечные батареи обоих аппаратов были смонтированы на откидывающихся крышках и служили верой и правдой весь срок работы. Причем на «Луноходе-1», программа и ресурс которого были рассчитаны на месяц работы, батареи проработали три месяца, втрое больше запланированного срока.
«Луноход-2» проработал на поверхности Луны чуть более четырех месяцев, пройдя путь в 37 километров. Он мог бы работать еще, если бы не перегрев аппаратуры. Аппарат попал в свежий кратер с рыхлым грунтом. Долго буксовал, но в конце концов смог выбраться на задней передаче. Когда он выбирался из ямы, на крышку с солнечными панелями попало небольшое количество грунта. Для поддержания заданного теплового режима откинутые солнечные панели на ночь опускались на верхнее покрытие аппаратного отсека. После выхода из кратера при закрывании крышки грунт из нее попал на аппаратный отсек, став своеобразным теплоизолятором. Днем температура поднялась выше сотни градусов, аппаратура не выдержала и вышла из строя.
Современные солнечные панели, изготовленные с применением самых современных нанотехнологий, с применением новых полупроводниковых материалов позволили достичь эффективности до 35% при значительном снижении веса. И эти новые гелиевые панели верой и правдой служат на всех аппаратах, отправляемых как на околоземные орбиты, так и в дальний космос.
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано на космических аппаратах (КА) различного назначения. Предлагаемая солнечная батарея состоит из рамы, балки и верхних и нижних створок. Створки закреплены на раме, балке и корпусе КА с помощью пирозамков с собачками и связаны между собой фиксаторами. При этом в корпусе каждого пирозамка дополнительно установлен пироэлемент, автономно взаимодействующий с собачкой, в которой выполнено второе отверстие под дополнительную ось. На нижней створке шарнирно закреплена защелка, одним концом взаимодействующая с кронштейном, жестко закрепленным на верхней створке, а другим концом с торцом соответствующего фиксатора. В предлагаемой конструкции пиросредство используется одновременно для крепления пакета створок к раме и балке, а также рамы и балки к корпусу КА. В результате изобретение позволяет повысить надежность раскрытия створок солнечной батареи примерно в 100 раз. 11 ил.
Изобретение относится к космической технике и может быть использовано на космических аппаратах (КА) различного назначения. Известна солнечная батарея (СБ) КА разработки ЦСКБ г. Самара, чертежи 11ф624 8700-0, общий вид которой изображен на фиг. 1 прототипа. На фиг. 2 изображен поперечный разрез батареи (сечение А-А). На фиг. 3 изображено пиросредство в разрезе (Б-Б). На фиг. 4 изображен элемент фиксации створок, а на фиг. 5 прототипа изображена солнечная батарея в рабочем (раскрытом положении). На корпусе КА 1 (фиг. 1) жестко закреплен привод 2, к выходному валу которого прикреплена силовая рама 3. На корпусе КА установлена аппаратура 4 (фиг. 2), которая совместно с зоной под обтекателем определила конфигурацию батареи в уложенном положении. На раме 3 и балке 5 (фиг. 1) с помощью шарнирного параллелограмма 6 (фиг. 2) установлены нижние створки 7 и верхние створки 8, зачекованные с одной стороны фиксатором 9 (фиг. 4 прототипа), а с другой стороны связаны шарниром 10, Рама 3 и балка 5 пиросредствами 11 фиг. 1 фиксируются на корпусе КА. Пиросредство 11 представляет собой корпус 12, собачку 13, пружину кручения 14, пироэлемент 15 (например, пироболт), который прижимает собачкой 13 раму 3 и балку 5 (фиг. 1) к корпусу КА 1. В корпусе пиросредства 12 (фиг. 3) и собачке 13 выполнено отверстие 16 под основную ось 17. Пиросредствами 11 (фиг. 2) аналогичной конструкции с использованием тех же пироэлементов 15 (фиг. 3) прикреплены нижние створки 7 (фиг. 2) к раме 3 и балке 5 (фиг. 1) в шести силовых точках. На одном из шарниров параллелограмма 6 (фиг. 2) жестко установлен кулачок 18 (фиг. 4), который упирается в подпружиненный фиксатор 9, удерживающий створки 7 и 8 в зачекованном положении. По периметру каждой створки 7 и 8 натянуто сетеполотно, на котором закреплены фотоэлектрические преобразователи 19 (фиг. 5). Раскрытие СБ происходит в следующей последовательности. После сброса головного обтекателя подается команда на срабатывание пироэлементов 15 (фиг. 3) пиросредства 11. По плоскости разделения пироэлемент 15 разрывается. Собачка 13 пружиной кручения 14 поворачивается в отверстии 16 относительно основной оси 17. Связь между рамой 3, балкой 5 (фиг. 3) и корпусом КА 1 (фиг. 1) разрывается. Привод 2 отводит панель СБ от корпуса КА 1 и останавливается. Подается команда на срабатывание пироэлемента 15 (фиг. 3) пиросредства 11 (фиг. 2). Связь между нижней створкой 7, рамой 3 и балкой 5 (фиг. 1) разрывается. Под действием пружин кручения, установленных в осях Г (фиг. 2) шарнирного параллелограмма 6, створки 7 и 8 начинают плоскопараллельное перемещение в осях шарнирного параллелограмма 6. Жестко закрепленный на шарнире кулачок 18 (фиг. 4) на определенном угле поворота створок 7 и 8 освобождает подпружиненный фиксатор 9, который, перемещаясь в осевом направлении, расчековывает створку 8 относительно створки 7. Створка 8 поворачивается относительно шарнира 10, а створка 7 продолжает плоскопараллельное движение до ее фиксации на раме 3 (фиг. 1) и балке 5. Створка 8 (фиг. 4) фиксируется в шарнире 10 со створкой 7. Таким образом, все четыре створки раскрываются и фиксируются, образуя единую плоскую панель. Привод 2 (фиг. 1) поворачивает панель в оптимальное положение относительно Солнца. Недостатком описанной конструкции является низкая надежность раскрытия створок. Наличие большого количества пироэлементов снижает вероятность безотказного срабатывания системы раскрытия. Для раскрытия одной панели СБ необходимо срабатывание 12-ти пироэлементов (пироболтов).В соответствии с техническими условиями на них P болта = 0,99996, а для 12-и P системы = 0,99996 12 = 0,99952 Это значит, примерно, 1 отказ на 1000 изделий. Кроме того, осевое перемещение фиксатора при смещении базовых отверстий в разных створках при их температурных деформациях склонно к "закусыванию", что приводит к нераскрытию створок. Задачей настоящего изобретения является повышение надежности раскрытия створок СБ путем введения элементов дублирования. Поставленная задача решается тем, что в корпусе каждого пиросредства (замка) дополнительно установлен пироэлемент, взаимодействующий с собачкой, причем на нижней створке шарнирно закреплена качающаяся защелка, одним концом упирающаяся в кронштейн, жестко закрепленный на верхней створке, а другим взаимодействует с торцем фиксатора. На фиг. 6 изображен общий вид CБ; на фиг. 7 - поперечный разрез СБ; на фиг. 8 - элемент фиксации верхних и нижних створок; на фиг. 9 изображено пиросредство (замок), закрепляющее нижнюю створку СБ с рамой и балкой на корпусе КА; на фиг. 10 изображено положение рабочего звена после срабатывания основного пироэлемента (пиропатрона); на фиг. 11 - положение рабочего звена после срабатывания дополнительного пироэлемента (пиропатрона). Солнечная батарея установлена на корпусе 20 (фиг. 6) космического аппарата. К приводу 21 жестко прикреплена силовая рама 22. Аппаратура, например, антенна 23 размещается между рамой 22 и балкой 24. На раме 22 и балке 24 с помощью шарнирного параллелограмма 25 (фиг. 7) установлены нижние 26 и верхние 27 створки. Нижняя створка 26, связанная со створкой 27 подпружиненным шарниром 28, прижимается к корпусу 20 (фиг. 6) пиросредством 29 (фиг. 9). Таким образом, пиросредством 29 прижимаются к корпусу КА 20 (фиг. 6) створки 26 (фиг. 7), рама 22 (фиг. 6) и балка 24. В корпусе 30 (фиг. 9) каждого пиросредства 29 выполнено отверстие 31 под основную ось 32 и установлен пироэлемент 33 (пиропатрон), который взаимодействуя с осью 32, фиксирует рычаг 34 относительно корпуса 30. Дополнительный пироэлемент 35 (фиг. 11) установлен в корпусе 30, взаимодействует с дополнительной осью 36 (фиг. 10) и фиксирует рычаг 34 с корпусом 30 (фиг. 9) и собачкой 37. Собственная ось 38 фиксирует рычаг 34 относительно собачки 37 и обеспечивает их совместный поворот относительно дополнительной оси 36 (фиг. 10) в корпусе 30 (фиг. 9), в котором выполнен фигурный паз 39. В рычаг 34 упирается пружинный толкатель 40, а собачка 37 взаимодействует со взведенной пружиной кручения 41. На створке 26 (фиг. 8) установлена подпружиненная в оси 42 защелка 43, один конец которой упирается в торец 44 подпружиненного фиксатора 45, удерживаемого в рабочем положении кулачком 46. Другой конец защелки 43 удерживает створку 27 от раскрытия. Работа КА осуществляется в следующей последовательности. После сброса головного обтекателя, исходя из функциональных задач КА, антенна 23 (фиг. 7) своим приводом отводится от корпуса КА 20 (фиг. 6) из зоны раскрытия СБ и фиксируется в рабочем положении. Таким образом, антенна 23 (фиг. 7) освобождает зону для раскрытия створок 26 и 27 на борту космического аппарата. Появилась возможность использовать пиросредство для: - крепления пакета створок к раме и балке и для их последующего раскрытия; - крепление рамы и балки к корпусу КА и их последующее отделение. Использование одного пиросредства для решения двух задач позволяет уменьшить их количество, что повышает надежность работы системы. Подается команда на срабатывание основного пироэлемента 33 (фиг. 9) пиросредства 29. Основная ось 32, перемещаясь в осевом направлении, "утопает" в корпусе 30. Рычаг 34 под действием усилия сжатой пружины толкателя 40 совместно с собачкой 37 (фиг. 10) и собственной осью 38 поворачивается относительно дополнительной оси 36. При этом ось 38 перемещается в полости фигурного паза 39. Без анализа срабатывания пиросредства от основного пироэлемента 33 через 0,5-2 с подается команда на дублирующий пироэлемент 35 (фиг. 11). Под действием его пороховых газов "утопает" дополнительная ось 36 (фиг. 10), собачка 37 поворачивается относительно основной оси 32 пружиной кручения 41. Створки 26 и 27 (фиг. 7), рама 22 (фиг. 6) и балка 24 освобождаются от корпуса КА 20, раскрываются под действием пружин кручения, установленных в осях шарнирного параллелограмма 25 (фиг. 7). Панель отводится приводом 21 в рабочее положение. Собачка 37 (фиг. 10) не выступает за плоскость "щ" и не препятствует отводу элементов СБ от корпуса КА. Жестко закрепленный на шарнире кулачок 46 (фиг. 8) на определенном угле поворота освобождает фиксатор 45, который, перемещаясь в осевом направлении, освобождает хвостовик защелки 43. Поворачиваясь пружиной кручения, защелка 43 освобождает створку 57, которая раскрывается и фиксируется. При взаимных перемещениях створок от перегрузок и температурных перепадах торец 44 фиксатора 45 имеет возможность перемещаться по пл. "Я", что исключает нераскрытие створок. В связи с тем, что в корпусе пиросредства 30 (фиг. 9) установлены два независимых механизма, срабатывающих от пироэлементов (пиропатронов) 33 и 35 (фиг. 11), надежность срабатывания пиросредства увеличивается и составляет
P o = 0,999999
А так как удалось решить задачу крепления и раскрытия створок 6-ю пиросредствами (вместо 12), надежность раскрытия створок составляет
P системы = 0,999999 6 = 0,99999
Это, примерно, 1 отказ на 100000 изделий. Введение шарнирно закрепленной на створке защелки исключает заклинивание фиксатора (даже при температурных перемещениях створок относительно друг друга). Предлагаемое техническое решение позволяет повысить надежность системы раскрытия створок СБ примерно в 100 раз.
Формула изобретения
Солнечная батарея космического аппарата, состоящая из рамы, балки, верхних и нижних створок, попарно связанных между собой фиксаторами и установленных на раме и балке, которые закреплены на корпусе космического аппарата с помощью пиросредства с собачкой, поворачивающейся относительно оси в отверстии, выполненном в корпусе пиросредства, отличающаяся тем, что в корпусе пиросредства дополнительно установлен пироэлемент, взаимодействующий с собачкой, причем на нижней створке шарнирно закреплена подпружиненная защелка, одним концом упирающаяся в кронштейн, жестко закрепленный на верхней створке, а другим взаимодействующая с торцом фиксатора.
