文/松堂

2014年，DSS公司就申請(qǐng)了一份專利，詳細(xì)解讀了柔性展開(kāi)式太陽(yáng)能電池陣（ROSA）的結(jié)構(gòu)與工作原理。在這其中，柔性光伏毯本身并不是難點(diǎn)，難點(diǎn)在于展開(kāi)結(jié)構(gòu)。

按照DSS公司的說(shuō)法，期望能研制一個(gè)輕量化、剛性、堅(jiān)固、穩(wěn)定和平坦的平臺(tái)，以允許電池均勻地暴露在太陽(yáng)下，并盡量降低在軌航天器姿態(tài)控制干擾負(fù)載。在發(fā)射之前和發(fā)射期間，將電池約束在一個(gè)小的外殼中，到達(dá)外層空間展開(kāi)后，要能夠完全伸展，露出最大面積的太陽(yáng)能電池。

確保展開(kāi)可靠性的關(guān)鍵是，在展開(kāi)致動(dòng)器的設(shè)計(jì)中允許最大的展開(kāi)動(dòng)力（或扭矩）。當(dāng)具有較大的力裕度（通常要求至少為3:1）時(shí)，可靠性會(huì)得到增強(qiáng)。展開(kāi)動(dòng)作遭遇的阻力來(lái)源很多，包括線束彎曲、接頭中的摩擦、毯層之間的鉤掛或粘合劑粘附。用于增加力裕度的傳統(tǒng)解決方案是增加結(jié)構(gòu)部件的尺寸和能力，并使用展開(kāi)致動(dòng)器（如彈簧或電機(jī)）來(lái)“強(qiáng)制”吊臂伸出，進(jìn)一步增加了重量和復(fù)雜性。例如哈勃空間望遠(yuǎn)鏡太陽(yáng)能陣列上使用的雙桿吊臂，吊臂由成對(duì)卷曲的金屬片組成，這些金屬片在展開(kāi)時(shí)滾動(dòng)并嵌套在一起，形成一個(gè)圓柱形吊臂。不過(guò)在ROSA之前，僅利用展開(kāi)臂材料中固有的彈性應(yīng)變能來(lái)實(shí)現(xiàn)高展開(kāi)力還沒(méi)有成功過(guò)。因?yàn)橛眠@樣的方式來(lái)提高展開(kāi)力裕度，由于釋放時(shí)組件的高內(nèi)能和不受約束的性質(zhì)，展開(kāi)的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征難以控制和預(yù)測(cè)。

▲ ROSA在國(guó)際空間站上的安裝方式

▲ ROSA安裝和展開(kāi)方式

不但如此，隨著太陽(yáng)能電池展開(kāi)區(qū)域和陣列支撐結(jié)構(gòu)的尺寸增大，剛度響應(yīng)減小。因此振動(dòng)頻率降低，擾動(dòng)偏轉(zhuǎn)增加。如果由于低頻運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的偏轉(zhuǎn)過(guò)大，航天器姿態(tài)控制系統(tǒng)定向航天器的能力可能會(huì)受到影響。

這些都帶來(lái)了設(shè)計(jì)上的困難。因此，DSS公司設(shè)計(jì)了獨(dú)具特色的收納和展開(kāi)機(jī)構(gòu)。需要注意的是，在專利申請(qǐng)中，DSS公司并沒(méi)有制定它必須用在空間站上，而是設(shè)想了一種常規(guī)的三軸穩(wěn)定衛(wèi)星。另外，DSS公司其實(shí)申請(qǐng)了兩種結(jié)構(gòu)的專利，一種是進(jìn)行了空間飛行的滾動(dòng)展開(kāi)式，一種是折疊展開(kāi)式，把太陽(yáng)電池用百褶裙一樣的方式折疊在一起，入軌后展開(kāi)。考慮到后一種方式?jīng)]有進(jìn)行實(shí)際空間飛行，本文中就不再討論了。

以下結(jié)合示意圖來(lái)解讀ROSA的結(jié)構(gòu)和工作原理。

▲ 結(jié)構(gòu)圖一

101航天器（衛(wèi)星）主體：太陽(yáng)能陣列安裝在其上并為其提供電力的主要結(jié)構(gòu)。

102展開(kāi)式太陽(yáng)能陣列翼：可以收納為很小的體積，用于運(yùn)輸和發(fā)射。在太空中可展開(kāi)，將大面積的光伏收集器（太陽(yáng)能電池）暴露在陽(yáng)光下，并連接到某些航天器上，為航天器運(yùn)行提供電力。

▲ 結(jié)構(gòu)圖二

201 彈性展開(kāi)吊桿，是一種帶有方向控制的彈性伸縮臂，其結(jié)構(gòu)可自行展開(kāi)。通過(guò)其自身的內(nèi)部應(yīng)變能彈性變形，并且當(dāng)卷起時(shí)保持在彈性狀態(tài)。彈性展開(kāi)臂不需要被動(dòng)加熱或主動(dòng)加熱就能展開(kāi)，并提供足夠高的展開(kāi)力。

202軛架支撐結(jié)構(gòu)：太陽(yáng)能電池陣列的橫向基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)支撐，彈性展開(kāi)吊桿（201）和柔性光伏毯（204）連接在其上。支架軛可以將太陽(yáng)能陣列連接到航天器主體或萬(wàn)向節(jié)，還可以為支架軛提供安裝位置，并提供與航天器主體或框架的間隙。

203芯軸：一種中空的輕型管，其上卷繞有彈性展開(kāi)吊桿（201）和光伏毯（204），以實(shí)現(xiàn)緊湊的收納結(jié)構(gòu)。

204柔性光伏毯：一種薄的柔性基板，其上安裝有光伏太陽(yáng)能電池陣列和相關(guān)布線，可卷成或折疊成小包裝存放，并且附接到可展開(kāi)結(jié)構(gòu)，用于在展開(kāi)期間形成平坦、張緊的配置。

205橡皮彈簧：安裝在柔性光伏毯（204）橫向邊緣上的彈簧，使光伏毯（204）與彈性展開(kāi)吊桿（201）按照相同的速率和直徑卷動(dòng)。

301可壓縮開(kāi)孔泡沫：泡沫以各種形式（例如條帶、貼片或連續(xù)片）附加到柔性光伏毯（204）的背面（非電池部分）。當(dāng)光伏毯卷時(shí)，泡沫被壓縮，以吸收彈性臂輥直徑和毛毯輥直徑之間的間距差異。當(dāng)完全壓縮在柔性光伏毯層之間時(shí)，泡沫提供預(yù)加載壓力和阻尼，以保護(hù)脆弱的太陽(yáng)能電池在發(fā)射振動(dòng)加載期間免受損壞。

302芯軸端部：安裝在芯軸（203）上的部件，該部件在端部封閉薄管段，并可提供機(jī)械連接，在發(fā)射期間約束收起的彈性展開(kāi)吊桿（201），以及用于位于芯軸縱向旋轉(zhuǎn)軸線處的軸承安裝。

303發(fā)射拉桿支架：安裝在軛架支撐結(jié)構(gòu)（202）上的結(jié)構(gòu)元件，該結(jié)構(gòu)元件對(duì)芯軸端部（302）起作用，將其定位并固定在用于發(fā)射的收起配置中。

304發(fā)射壓緊機(jī)構(gòu)（或發(fā)射系緊裝置）：一種可釋放的裝置，其將芯軸端部（302）緊緊地安裝在軛架支撐結(jié)構(gòu)（202）上處于收起位置的發(fā)射支架（303）上。當(dāng)釋放發(fā)射壓緊機(jī)構(gòu)（304）時(shí)，啟動(dòng)太陽(yáng)能陣列的展開(kāi)。

▲ 結(jié)構(gòu)圖三

401板條：橫跨在展開(kāi)的彈性展開(kāi)吊桿（201）之間的橫向結(jié)構(gòu)構(gòu)件，與柔性光伏毯（204）脫開(kāi)，并且在展開(kāi)時(shí)可有助于增加展開(kāi)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和/或剛度。

▲ 結(jié)構(gòu)圖四

501展開(kāi)系索：可以纏繞在滑輪或線軸上的電纜、膠帶或帶子，并通過(guò)旋轉(zhuǎn)阻尼器（503）、電機(jī)或其他阻尼裝置緩慢釋放，以限制太陽(yáng)能陣列的展開(kāi)速度。

502展開(kāi)系索卷軸：一個(gè)圓形凹槽滑輪，允許展開(kāi)系索在展開(kāi)期間旋轉(zhuǎn)時(shí)卷起并延伸。

503旋轉(zhuǎn)阻尼器：一種速率限制裝置，用于限制展開(kāi)系索卷軸（502）的旋轉(zhuǎn)速度和展開(kāi)系索的相應(yīng)延伸，以限制太陽(yáng)能陣列的展開(kāi)速率。

504芯軸軸線：芯軸（203）的縱向中芯線軸線，芯軸在展開(kāi)過(guò)程中圍繞該軸線旋轉(zhuǎn)。

505穩(wěn)定桿：橫跨芯軸（203），當(dāng)展開(kāi)系索（501）由于彈性展開(kāi)吊桿（201）展開(kāi)力的反作用力而處于張力下時(shí)。懸臂控制輥（507）由穩(wěn)定桿（505）預(yù)加載，以在整個(gè)展開(kāi)過(guò)程中提供局部載荷。

506芯軸軸承：安裝在芯軸端部（302）上的旋轉(zhuǎn)軸承或襯套，允許芯軸（203）相對(duì)于穩(wěn)定桿（505）繞芯軸軸線（504）旋轉(zhuǎn)。

507動(dòng)臂控制輥：連接到平衡桿（505）上的部件，當(dāng)展開(kāi)系索（501）由于彈性展開(kāi)動(dòng)臂（201）展開(kāi)時(shí)的反作用力而處于張力下時(shí)，懸臂控制滾輪（507）可以實(shí)現(xiàn)預(yù)加載功能，對(duì)每個(gè)彈性展開(kāi)吊桿（201）的展開(kāi)實(shí)現(xiàn)控制。具體的預(yù)加載位置，在穩(wěn)定桿（505）在與彈性展開(kāi)吊桿（201）滾出部分幾乎相切的位置下側(cè)。

508穩(wěn)定臂：將穩(wěn)定桿（505）縱向軸線與動(dòng)臂芯軸軸線（504）連接起來(lái)的剛性桿，允許芯軸軸承（506）和芯軸（504）之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

▲ 結(jié)構(gòu)圖五

601包裝間連接條：鉤環(huán)或其他高摩擦材料，位于彈性展開(kāi)吊桿（201）的相對(duì)表面上；并且當(dāng)彈性展開(kāi)吊桿通過(guò)滾動(dòng)包裝時(shí)與之接觸，并實(shí)施展開(kāi)控制。

602彈性展開(kāi)吊桿的狹縫：這個(gè)狹縫打破了彈性展開(kāi)吊桿的圓形橫截面，允許彈性展平和隨后的滾動(dòng)展開(kāi)。

603彈性展開(kāi)吊桿（201）內(nèi)表面：位于狹縫（602）之內(nèi)，包裝物間附接條（601）附接在該內(nèi)表面上。

604彈性展開(kāi)吊桿（201）外表面：其上也附接有包裝間連接條（601），可通過(guò)輥?zhàn)踊驇┘訌较蜉d荷，以提供展開(kāi)控制手段。

605封閉段彈性展開(kāi)臂：臂的橫截面是連續(xù)的，并形成一種形狀，允許彈性展平和隨后的卷曲收納。

606非受控彈性展開(kāi)臂：一種彈性展開(kāi)臂，它沒(méi)有實(shí)施任何形式的臂控制，因此在從卷曲狀態(tài)釋放時(shí)直接展開(kāi)，因?yàn)橄噜彽木砬鷮又g沒(méi)有約束，因此不會(huì)彼此進(jìn)行剪切運(yùn)動(dòng)。

▲ 結(jié)構(gòu)圖六

▲ 結(jié)構(gòu)圖六之二

▲ 結(jié)構(gòu)圖七

701彈簧加載滑動(dòng)安全帶：施加徑向載荷的外部安全帶，以約束收起的卷曲吊臂層不“開(kāi)花”，并有助于對(duì)每個(gè)方向控制的彈性展開(kāi)吊臂（201）進(jìn)行所需的展開(kāi)控制。這條安全帶可以由低摩擦滑動(dòng)材料組成，在展開(kāi)過(guò)程中在彈性展開(kāi)吊臂（201）外部暴露表面（604）上滑動(dòng)。

702彈簧加載的滾動(dòng)約束帶：由整體帶輥（703）組成的外部帶，它在展開(kāi)過(guò)程中，以最小的摩擦力，沿著彈性展開(kāi)吊臂（201）外部暴露表面（604）滾動(dòng)。

703整體帶輥：集成在滾動(dòng)約束帶（702）的滾動(dòng)元件，允許其在外暴露表面上（604）以低摩擦滾動(dòng)。

704皮帶張緊彈簧：用于向滑動(dòng)（701）或滾動(dòng)（702）皮帶施加張力的彈簧，作為提供動(dòng)臂展開(kāi)控制的手段。

705橫桿：終止于701、702端部的構(gòu)件，并為橫跨在701、702和穩(wěn)定桿（505）之間的皮帶張緊彈簧（704）提供結(jié)構(gòu)安裝位置，以施加所需的張力；彈性展開(kāi)吊桿（201）在其上滾動(dòng)。