ROSA的结构与工作原理

文/松堂

2014年，DSS公司就申请了一份专利，详细解读了柔性展开式太阳能电池阵（ROSA）的结构与工作原理。在这其中，柔性光伏毯本身并不是难点，难点在于展开结构。

按照DSS公司的说法，期望能研制一个轻量化、刚性、坚固、稳定和平坦的平台，以允许电池均匀地暴露在太阳下，并尽量降低在轨航天器姿态控制干扰负载。在发射之前和发射期间，将电池约束在一个小的外壳中，到达外层空间展开后，要能够完全伸展，露出最大面积的太阳能电池。

确保展开可靠性的关键是，在展开致动器的设计中允许最大的展开动力（或扭矩）。当具有较大的力裕度（通常要求至少为3:1）时，可靠性会得到增强。展开动作遭遇的阻力来源很多，包括线束弯曲、接头中的摩擦、毯层之间的钩挂或粘合剂粘附。用于增加力裕度的传统解决方案是增加结构部件的尺寸和能力，并使用展开致动器（如弹簧或电机）来“强制”吊臂伸出，进一步增加了重量和复杂性。例如哈勃空间望远镜太阳能阵列上使用的双杆吊臂，吊臂由成对卷曲的金属片组成，这些金属片在展开时滚动并嵌套在一起，形成一个圆柱形吊臂。不过在ROSA之前，仅利用展开臂材料中固有的弹性应变能来实现高展开力还没有成功过。因为用这样的方式来提高展开力裕度，由于释放时组件的高内能和不受约束的性质，展开的运动学特征难以控制和预测。

▲ ROSA在国际空间站上的安装方式

▲ ROSA安装和展开方式

不但如此，随着太阳能电池展开区域和阵列支撑结构的尺寸增大，刚度响应减小。因此振动频率降低，扰动偏转增加。如果由于低频运动而导致的偏转过大，航天器姿态控制系统定向航天器的能力可能会受到影响。

这些都带来了设计上的困难。因此，DSS公司设计了独具特色的收纳和展开机构。需要注意的是，在专利申请中，DSS公司并没有制定它必须用在空间站上，而是设想了一种常规的三轴稳定卫星。另外，DSS公司其实申请了两种结构的专利，一种是进行了空间飞行的滚动展开式，一种是折叠展开式，把太阳电池用百褶裙一样的方式折叠在一起，入轨后展开。考虑到后一种方式没有进行实际空间飞行，本文中就不再讨论了。

以下结合示意图来解读ROSA的结构和工作原理。

▲ 结构图一

101航天器（卫星）主体：太阳能阵列安装在其上并为其提供电力的主要结构。

102展开式太阳能阵列翼：可以收纳为很小的体积，用于运输和发射。在太空中可展开，将大面积的光伏收集器（太阳能电池）暴露在阳光下，并连接到某些航天器上，为航天器运行提供电力。

▲ 结构图二

201 弹性展开吊杆，是一种带有方向控制的弹性伸缩臂，其结构可自行展开。通过其自身的内部应变能弹性变形，并且当卷起时保持在弹性状态。弹性展开臂不需要被动加热或主动加热就能展开，并提供足够高的展开力。

202轭架支撑结构：太阳能电池阵列的横向基础结构支撑，弹性展开吊杆（201）和柔性光伏毯（204）连接在其上。支架轭可以将太阳能阵列连接到航天器主体或万向节，还可以为支架轭提供安装位置，并提供与航天器主体或框架的间隙。

203芯轴：一种中空的轻型管，其上卷绕有弹性展开吊杆（201）和光伏毯（204），以实现紧凑的收纳结构。

204柔性光伏毯：一种薄的柔性基板，其上安装有光伏太阳能电池阵列和相关布线，可卷成或折叠成小包装存放，并且附接到可展开结构，用于在展开期间形成平坦、张紧的配置。

205橡皮弹簧：安装在柔性光伏毯（204）横向边缘上的弹簧，使光伏毯（204）与弹性展开吊杆（201）按照相同的速率和直径卷动。

301可压缩开孔泡沫：泡沫以各种形式（例如条带、贴片或连续片）附加到柔性光伏毯（204）的背面（非电池部分）。当光伏毯卷时，泡沫被压缩，以吸收弹性臂辊直径和毛毯辊直径之间的间距差异。当完全压缩在柔性光伏毯层之间时，泡沫提供预加载压力和阻尼，以保护脆弱的太阳能电池在发射振动加载期间免受损坏。

302芯轴端部：安装在芯轴（203）上的部件，该部件在端部封闭薄管段，并可提供机械连接，在发射期间约束收起的弹性展开吊杆（201），以及用于位于芯轴纵向旋转轴线处的轴承安装。

303发射拉杆支架：安装在轭架支撑结构（202）上的结构元件，该结构元件对芯轴端部（302）起作用，将其定位并固定在用于发射的收起配置中。

304发射压紧机构（或发射系紧装置）：一种可释放的装置，其将芯轴端部（302）紧紧地安装在轭架支撑结构（202）上处于收起位置的发射支架（303）上。当释放发射压紧机构（304）时，启动太阳能阵列的展开。

▲ 结构图三

401板条：横跨在展开的弹性展开吊杆（201）之间的横向结构构件，与柔性光伏毯（204）脱开，并且在展开时可有助于增加展开的结构强度和/或刚度。

▲ 结构图四

501展开系索：可以缠绕在滑轮或线轴上的电缆、胶带或带子，并通过旋转阻尼器（503）、电机或其他阻尼装置缓慢释放，以限制太阳能阵列的展开速度。

502展开系索卷轴：一个圆形凹槽滑轮，允许展开系索在展开期间旋转时卷起并延伸。

503旋转阻尼器：一种速率限制装置，用于限制展开系索卷轴（502）的旋转速度和展开系索的相应延伸，以限制太阳能阵列的展开速率。

504芯轴轴线：芯轴（203）的纵向中芯线轴线，芯轴在展开过程中围绕该轴线旋转。

505稳定杆：横跨芯轴（203），当展开系索（501）由于弹性展开吊杆（201）展开力的反作用力而处于张力下时。悬臂控制辊（507）由稳定杆（505）预加载，以在整个展开过程中提供局部载荷。

506芯轴轴承：安装在芯轴端部（302）上的旋转轴承或衬套，允许芯轴（203）相对于稳定杆（505）绕芯轴轴线（504）旋转。

507动臂控制辊：连接到平衡杆（505）上的部件，当展开系索（501）由于弹性展开动臂（201）展开时的反作用力而处于张力下时，悬臂控制滚轮（507）可以实现预加载功能，对每个弹性展开吊杆（201）的展开实现控制。具体的预加载位置，在稳定杆（505）在与弹性展开吊杆（201）滚出部分几乎相切的位置下侧。

508稳定臂：将稳定杆（505）纵向轴线与动臂芯轴轴线（504）连接起来的刚性杆，允许芯轴轴承（506）和芯轴（504）之间的相对旋转运动。

▲ 结构图五

601包装间连接条：钩环或其他高摩擦材料，位于弹性展开吊杆（201）的相对表面上；并且当弹性展开吊杆通过滚动包装时与之接触，并实施展开控制。

602弹性展开吊杆的狭缝：这个狭缝打破了弹性展开吊杆的圆形横截面，允许弹性展平和随后的滚动展开。

603弹性展开吊杆（201）内表面：位于狭缝（602）之内，包装物间附接条（601）附接在该内表面上。

604弹性展开吊杆（201）外表面：其上也附接有包装间连接条（601），可通过辊子或带施加径向载荷，以提供展开控制手段。

605封闭段弹性展开臂：臂的横截面是连续的，并形成一种形状，允许弹性展平和随后的卷曲收纳。

606非受控弹性展开臂：一种弹性展开臂，它没有实施任何形式的臂控制，因此在从卷曲状态释放时直接展开，因为相邻的卷曲层之间没有约束，因此不会彼此进行剪切运动。

▲ 结构图六

▲ 结构图六之二

▲ 结构图七

701弹簧加载滑动安全带：施加径向载荷的外部安全带，以约束收起的卷曲吊臂层不“开花”，并有助于对每个方向控制的弹性展开吊臂（201）进行所需的展开控制。这条安全带可以由低摩擦滑动材料组成，在展开过程中在弹性展开吊臂（201）外部暴露表面（604）上滑动。

702弹簧加载的滚动约束带：由整体带辊（703）组成的外部带，它在展开过程中，以最小的摩擦力，沿着弹性展开吊臂（201）外部暴露表面（604）滚动。

703整体带辊：集成在滚动约束带（702）的滚动元件，允许其在外暴露表面上（604）以低摩擦滚动。

704皮带张紧弹簧：用于向滑动（701）或滚动（702）皮带施加张力的弹簧，作为提供动臂展开控制的手段。

705横杆：终止于701、702端部的构件，并为横跨在701、702和稳定杆（505）之间的皮带张紧弹簧（704）提供结构安装位置，以施加所需的张力；弹性展开吊杆（201）在其上滚动。