КОСМИЧЕСКИЙ АППАРАТ С ЦЕНТРОБЕЖНОЙ СОЛНЕЧНОЙ БАТАРЕЕЙ

Полезная модель (ПМ) относится к энергетическим системам космических объектов, основанным на прямом преобразовании лучистой энергии Солнца в электричество и может быть использована для преобразования солнечной энергии в электрическую на освещенных участках орбиты при создании космических солнечных батарей (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, высокой стабильностью параметров, повышенной радиационной стойкостью. 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.
изг
В качестве фотоэлектрического преобразователя в СБ используется аморфный кремний - сплав, наносимый на подложку из полимерной пленки. Особенностью пленочной СБ является ограничение по радиусу изгиба пленочной стеклоподобной поверхности (R≥15 см), из-за возможности ее растрескивания и потери электрогенерирующей способности. Это обстоятельство усложняет конструкцию укладки и компоновки СБ на космическом аппарате (КА) в уложенном состоянии и предъявляет дополнительные требования к системе раскрытия СБ.
Известен аналог КА с СБ (патент RU №2200115, 2011), КА с пленочной СБ на основе аморфного кремния, в котором предусмотрен барабан для намотки сложенной СБ, снабженный средствами вращения вокруг его продольной оси для развертывания СБ в рабочее положение. СБ выполнена в виде отдельных секторов, образующих в развернутом положении круговую плоскую поверхность. Недостатком данного аналога является очень сложная система развертывания СБ из уложенного транспортного положения в рабочее положение. Другим недостатком СБ-прототипа является то, что она состоит из отдельных секторов, что не является оптимальным вариантом для токогенерирующих свойств поверхности СБ и системы токосъема.
Предлагаемый КА, содержащий центробежную СБ, состоящую из образующих круговую поверхность сегментов полимерной пленки, покрытой аморфным кремнием, контейнер и маховик, а также вал, соединяющий СБ и электродвигатель, отличающийся тем, что электродвигатель выполнен с обеспечением вращения вала солнечной батареи, обгонной муфты и маховика, сегменты полимерной пленки соединены с тыльной стороны ультратонкой медной проволокой диаметром D=0,005 мм и сшиты высокопрочным тканевым материалом ACT-100 в единую сплошную круговую поверхность, создающую однородную электрогенерирующую поверхность при прямом преобразовании лучистой энергии Солнца, с хорошими электрогенерирующими свойствами, с возможностью перегибов в местах их соединений на угол 180° и укладки в контейнере в размер одного сегмента по линии стартовой конфигурации; с уменьшенным весом системы токосъема с СБ за счет уменьшения в 6 раз числа развязывающих и шунтирующих диодных блоков, температурных датчиков, кабельной сети, электромонтажных элементов из-за отсутствия электроцепей токосъема с каждого отдельного сегмента.
Наиболее близким аналогом по совокупности существующих признаков и достигаемому результату к полезной модели является СБ (патент RU №111097, 2011), которая и выбрана прототипом к полезной модели. Положительным фактором СБ-прототипа является минимизация массы механизма раскрытия СБ. Недостатком СБ-протопипа является разрезная структура СБ, состоящая из отдельных секторов, что не является оптимальным вариантом для токогенерирующих свойств поверхности СБ и системы токосъема. Техническая характеристика предлагаемой ПМ дана выше при описании первого аналога.
На фиг.1 представлена структурная схема КА с СБ в развернутом виде. На фиг.2 представлены позиции компоновки СБ перед укладкой в контейнер КА:
- позиция 1 - солнечная батарея в развернутом виде,
- позиция 2 - процесс складывания СБ в один сегмент круговой поверхности СБ,
- позиция 3 - СБ сложена в размер одного сегмента круговой поверхности СБ.
На фиг.3 представлена линия стартовой конфигурации скомпонованной СБ в контейнере КА.
КА с центробежной СБ содержит:
1 - солнечная батарея в развернутом виде
2 - вал СБ
3 - контейнер СБ
4 - корпус привода СБ
5 - обгонная муфта
6 - электродвигатель привода СБ
7 - маховик
8 - корпус КА
9 - патрубок матерчатый.
Космический аппарат с центробежной солнечной батареей функционирует следующим образом.
Основной особенностью разработки формируемых центробежными силами конструкций пленочных СБ является необходимость обеспечения двухосного напряженного состояния поверхности СБ, которое оптимальным образом реализуется в сплошной (не разрезной) круговой структуре и обеспечивает хорошие электрогенерирующие свойства и большой токосъем.
изг
Практически невозможно обеспечить сочетание хороших токогенерирующих свойств и малого веса тонкопленочных СБ без разработанной технологии компоновки и стартовой конфигурации СБ из-за ее стеклоподобной поверхности, возможности ее растрескивания и потери электрогенерирующей способности при радиусе изгиба R≥15 см.
Предлагаемый КА с СБ, содержащий КА, СБ, вал солнечной батареи, соединяющий СБ и электродвигатель, контейнер СБ диаметром D=63 см для транспортировки СБ на орбиту, отличающийся тем, что введен маховик с возможностью противоположного направления вращения относительно СБ и расположенного на оси вращения центра масс СБ, при этом электродвигатель выполнен с возможностью вращения вала СБ, обгонной муфты и маховика.
Солнечная батарея в исполнении для конкретного космического аппарата может представлять собой зонтик фиг.1, фиг.2 диаметром D=270 см, состоящий из шести сегментов круговой поверхности полимерной пленки шириной по 45 см каждый сегмент, покрытых аморфным кремнием и соединенных с тыльной стороны пленки ультратонкой медной проволокой диаметром D=0,005 мм, сшитых авиационной перкалью (материал ACT-100 имеет прочность на разрыв 800 кг/погон м) в круговую плоскую поверхность, вращающуюся со скоростью 75 об/мин.
Чистая медь по электрической проводимости занимает ведущее место после серебра, обладающего из всех известных проводников наивысшей проводимостью. Медные провода диаметром D=0,005 мм отечественная промышленность изготавливает методом волочения. В целях повышения устойчивости к воздействиям космической среды, в частности к корпускулярным излучениям, вызывающим деградацию рабочих характеристик СБ, медь может быть легирована серебром в пределах 0,07-0,15%.
Соединение сегментов разрезной круговой поверхности полимерной пленки в сплошную круговую структуру производится с тыльной стороны пленки медной проволокой длиной 9 мм, по 4 мм на каждый стык (край) сегмента с зазором 1 мм между сегментами полимерной пленки для обеспечения возможности относительного поворота соединенных сегментов на 180°.
Присоединение медной проволоки к краю сегментов производится электропроводящим полимерным клеем, имеющим прочность на разрыв и срез до 300 МПа. Также, с тыльной стороны пленки поверх наклеенной медной проволоки сшиваются соединенные медной проволокой сегменты полимерной пленки в сплошную круговую поверхность материалом АСТ-100. При этом сторона пленки, ориентированная к Солнцу, остается открытой для генерации электроэнергии без потери мощности СБ и с упрощенной системой токосъема, так как отсутствуют электроцепи токосъема с каждого отдельного сегмента СБ.
Целью ПМ является повышение энергетических характеристик процесса энергоснабжения бортового оборудования малых КА и уменьшение веса и упрощение электросхем токосъема с центробежных тонкопленочных СБ.
Техническим результатом полезной модели являются:
- улучшение электрогенерирующих свойств СБ КА, состоящей из отдельных сегментов круговой поверхности полимерной пленки, покрытой аморфным кремнием, соединенных медной проволокой диаметром D=0,005 мм и сшитых материалом ACT-100 в единую круговую поверхность, создающую однородную электрогенерирующую поверхность при прямом преобразовании лучистой энергии Солнца;
- удобство стартовой конфигурации СБ;
- упрощение и минимизация системы токосъема с СБ за счет уменьшения в 6 раз числа развязывающих и шунтирующих диодных блоков, температурных датчиков, электрических соединителей, электромонтажных элементов из-за отсутствия электроцепей токосъема с каждого отдельного сегмента.