ROSA的結構與工作原理

文/松堂

2014年，DSS公司就申請了一份專利，詳細解讀了柔性展開式太陽能電池陣（ROSA）的結構與工作原理。在這其中，柔性光伏毯本身并不是難點，難點在于展開結構。

按照DSS公司的說法，期望能研制一個輕量化、剛性、堅固、穩定和平坦的平臺，以允許電池均勻地暴露在太陽下，并盡量降低在軌航天器姿態控制干擾負載。在發射之前和發射期間，將電池約束在一個小的外殼中，到達外層空間展開后，要能夠完全伸展，露出最大面積的太陽能電池。

確保展開可靠性的關鍵是，在展開致動器的設計中允許最大的展開動力（或扭矩）。當具有較大的力裕度（通常要求至少為3:1）時，可靠性會得到增強。展開動作遭遇的阻力來源很多，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解決方案是增加結構部件的尺寸和能力，并使用展開致動器（如彈簧或電機）來“強制”吊臂伸出，進一步增加了重量和復雜性。例如哈勃空間望遠鏡太陽能陣列上使用的雙桿吊臂，吊臂由成對卷曲的金屬片組成，這些金屬片在展開時滾動并嵌套在一起，形成一個圓柱形吊臂。不過在ROSA之前，僅利用展開臂材料中固有的彈性應變能來實現高展開力還沒有成功過。因為用這樣的方式來提高展開力裕度，由于釋放時組件的高內能和不受約束的性質，展開的運動學特征難以控制和預測。

▲ ROSA在國際空間站上的安裝方式

▲ ROSA安裝和展開方式

不但如此，隨著太陽能電池展開區域和陣列支撐結構的尺寸增大，剛度響應減小。因此振動頻率降低，擾動偏轉增加。如果由于低頻運動而導致的偏轉過大，航天器姿態控制系統定向航天器的能力可能會受到影響。

這些都帶來了設計上的困難。因此，DSS公司設計了獨具特色的收納和展開機構。需要注意的是，在專利申請中，DSS公司并沒有制定它必須用在空間站上，而是設想了一種常規的三軸穩定衛星。另外，DSS公司其實申請了兩種結構的專利，一種是進行了空間飛行的滾動展開式，一種是折疊展開式，把太陽電池用百褶裙一樣的方式折疊在一起，入軌后展開。考慮到后一種方式沒有進行實際空間飛行，本文中就不再討論了。

以下結合示意圖來解讀ROSA的結構和工作原理。

▲ 結構圖一

101航天器（衛星）主體：太陽能陣列安裝在其上并為其提供電力的主要結構。

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

▲ 結構圖二

201 彈性展開吊桿，是一種帶有方向控制的彈性伸縮臂，其結構可自行展開。通過其自身的內部應變能彈性變形，并且當卷起時保持在彈性狀態。彈性展開臂不需要被動加熱或主動加熱就能展開，并提供足夠高的展開力。

202軛架支撐結構：太陽能電池陣列的橫向基礎結構支撐，彈性展開吊桿（201）和柔性光伏毯（204）連接在其上。支架軛可以將太陽能陣列連接到航天器主體或萬向節，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吊桿（201）和光伏毯（204），以實現緊湊的收納結構。

204柔性光伏毯：一種薄的柔性基板，其上安裝有光伏太陽能電池陣列和相關布線，可卷成或折疊成小包裝存放，并且附接到可展開結構，用于在展開期間形成平坦、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）與彈性展開吊桿（201）按照相同的速率和直徑卷動。

301可壓縮開孔泡沫：泡沫以各種形式（例如條帶、貼片或連續片）附加到柔性光伏毯（204）的背面（非電池部分）。當光伏毯卷時，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。當完全壓縮在柔性光伏毯層之間時，泡沫提供預加載壓力和阻尼，以保護脆弱的太陽能電池在發射振動加載期間免受損壞。

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，并可提供機械連接，在發射期間約束收起的彈性展開吊桿（201），以及用于位于芯軸縱向旋轉軸線處的軸承安裝。

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

304發射壓緊機構（或發射系緊裝置）：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構（202）上處于收起位置的發射支架（303）上。當釋放發射壓緊機構（304）時，啟動太陽能陣列的展開。

▲ 結構圖三

401板條：橫跨在展開的彈性展開吊桿（201）之間的橫向結構構件，與柔性光伏毯（204）脫開，并且在展開時可有助于增加展開的結構強度和/或剛度。

▲ 結構圖四

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

502展開系索卷軸：一個圓形凹槽滑輪，允許展開系索在展開期間旋轉時卷起并延伸。

503旋轉阻尼器：一種速率限制裝置，用于限制展開系索卷軸（502）的旋轉速度和展開系索的相應延伸，以限制太陽能陣列的展開速率。

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

505穩定桿：橫跨芯軸（203），當展開系索（501）由于彈性展開吊桿（201）展開力的反作用力而處于張力下時。懸臂控制輥（507）由穩定桿（505）預加載，以在整個展開過程中提供局部載荷。

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

507動臂控制輥：連接到平衡桿（505）上的部件，當展開系索（501）由于彈性展開動臂（201）展開時的反作用力而處于張力下時，懸臂控制滾輪（507）可以實現預加載功能，對每個彈性展開吊桿（201）的展開實現控制。具體的預加載位置，在穩定桿（505）在與彈性展開吊桿（201）滾出部分幾乎相切的位置下側。

508穩定臂：將穩定桿（505）縱向軸線與動臂芯軸軸線（504）連接起來的剛性桿，允許芯軸軸承（506）和芯軸（504）之間的相對旋轉運動。

▲ 結構圖五

601包裝間連接條：鉤環或其他高摩擦材料，位于彈性展開吊桿（201）的相對表面上；并且當彈性展開吊桿通過滾動包裝時與之接觸，并實施展開控制。

602彈性展開吊桿的狹縫：這個狹縫打破了彈性展開吊桿的圓形橫截面，允許彈性展平和隨后的滾動展開。

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

604彈性展開吊桿（201）外表面：其上也附接有包裝間連接條（601），可通過輥子或帶施加徑向載荷，以提供展開控制手段。

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

606非受控彈性展開臂：一種彈性展開臂，它沒有實施任何形式的臂控制，因此在從卷曲狀態釋放時直接展開，因為相鄰的卷曲層之間沒有約束，因此不會彼此進行剪切運動。

▲ 結構圖六

▲ 結構圖六之二

▲ 結構圖七

701彈簧加載滑動安全帶：施加徑向載荷的外部安全帶，以約束收起的卷曲吊臂層不“開花”，并有助于對每個方向控制的彈性展開吊臂（201）進行所需的展開控制。這條安全帶可以由低摩擦滑動材料組成，在展開過程中在彈性展開吊臂（201）外部暴露表面（604）上滑動。

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

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

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

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