分体组合式双自由度对日定向系统构型及布局设计.pdf
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1、第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)分体组合式双自由度对日定向系统构型及布局设计谢朋儒1,顾绍景2,马季军1,陈铮2,葛茂艳1(1.上海空间电源研究所,上海 200245;2.上海宇航系统工程研究所,上海 201109)摘要:为解决空间站在不同的构型及飞行姿态下,因太阳入射角变化大引起的太阳电池翼难以对日定向的难题,提出分体组合式双自由度对日定向系统构型。研究空间站构型及飞行姿态,确定采用A轴与B轴2个轴独立运转、单独控制的对日定向方式,2个轴通过桁架结构实现正交连接。在梦天实验舱单舱飞行时,A轴不动,B轴
2、根据轨道周期跟踪太阳,通过飞行器姿态调整补偿太阳入射角的变化。组合体飞行时,B轴补偿太阳高度角,A轴根据轨道周期带动B轴与太阳电池翼共同跟踪太阳,实现双自由度对日定向。在轨飞行结果表明:在不同的舱段构型及飞行姿态下,功率通道输出功率波动幅度由60%减小到7%,分体组合式双自由度对日定向系统构型能够适应空间站复杂的飞行工况。关键词:空间站;梦天实验舱;构型;分体组合式;双自由度;对日定向中图分类号:TN 911.73;TP 391.9 文献标志码:A DOI:10.19328/ki.20968655.2023.05.013Configuration and Layout Design of Sp
3、lit Combined Double-Degree-of-Freedom Solar-Oriented SystemXIE Pengru1,GU Shaojing2,MA Jijun1,CHEN Zheng2,GE Maoyan1(1.Shanghai Institute of Space Power-Sources,Shanghai 200245,China;2.Shanghai Institute of Aerospace Systems Engineering,Shanghai 201109,China)Abstract:In order to solve the problem th
4、at the solar cell wing is difficult to orient to the sun due to the large variation of the incidence angle of the sunlight under different configurations and flight attitudes of the space station,a configuration of split combined double-degree-of-freedom solar-oriented system is proposed.The configu
5、ration and flight attitude of the space station are studied,by which the solar-oriented mode to independently operate and separately control the A-and B-axes is determined.The two axes are orthogonally connected through the truss structure.During the single cabin flight of the Mengtian lab module,th
6、e A-axis does not move,the B-axis tracks the sun according to the orbital period,and the change of the sunlight incidence angle is compensated by adjusting the attitude of the aircraft.When the combined body flies,the B-axis is used to compensate for the solar altitude angle,and the A-axis drives th
7、e B-axis and the solar cell wing to track the sun together according to the orbital period so as to achieve the double-degree-of-freedom orientation to the sun.The in-orbit flight results show that under different module configurations and flight attitudes,the fluctuation amplitude of the power chan
8、nel output power is reduced from 60%to 7%,and the configuration of split combined double-degree-of-freedom solar-oriented system can adapt to the complex flight conditions of the space station.Key words:space station;mengtian lab module;configuration;split combined;double-degree-of-freedom;solar ori
9、entation0引言 空间站是我国首个在轨组建的多舱段大型飞行器1,每个舱段均配置 2个功率通道,电源系统采用直流 100 V 光伏-蓄电池系统2,其中梦天实验舱单功率通道负载额定功率需求为 6.75 kW,每个太阳电池翼对应 1 条功率供电通道,每个太阳电池翼收稿日期:20230519;修回日期:20230810作者简介:谢朋儒(1986),男,高级工程师,硕士,主要研究方向为空间电源结构机构设计和空间维修。94第 40 卷 2023 年第 5 期谢朋儒,等:分体组合式双自由度对日定向系统构型及布局设计输出功率达 18 kW。空间站为单舱发射、在轨组装运行,且在轨组合构型多、构型复杂,不同
10、构型下具备不同的飞行姿态。电源系统的供电能力要能适应单舱构型、组建基本构型、来往飞行器对接构型、扩展构型等所有状态,也要适应惯性系、三轴对地、轨道系等飞行姿态。在各构型及飞行姿态下,实验舱太阳电池翼的太阳入射角3各不相同,且存在遮挡问题4,造成太阳电池翼发电能力5-6不同。因此,在保证太阳电池翼工作于较优的对日定向方式下7-10,使太阳入射角达到最优状态,保证电源系统供电输出功率稳定性。本文根据空间站构型及飞行 姿 态,对 双 自 由 度 对 日 定 向 系 统 构 型 展 开 研究11-14,提出一种分体组合式双自由度对日定向系统构型,以满足太阳电池翼在空间站多种构型及飞行姿态下的发电能力。
11、同时,基于该构型,对双自由度对日定向系统中的各产品进行布局,以满足对日定向系统的电传输及对日定向功能。国内外研究现状 调研国内外空间站15及我国大型飞行器,包括国外的俄罗斯礼炮号(钻石号)空间站和国际空间站16-17,国内的天宫空间实验室、神舟飞船、货运飞船等18-21,通过分析比对,各飞行器对电能的需求各不相同,采用的对日定向方式也不相同。俄罗斯钻石号空间站用 28 V 低压供电体制,功率 需 求 34 kW,太 阳 电 池 翼 峰 值 发 电 能 力 为11.3 kW。太阳翼采用两轴离散型对日定向方式。国际空间站采用 120 V 和 28 V 供电体制,其中美国舱段采用 120 V 高压母
12、线体制,俄罗斯舱段采用28 V 母线体制,不同舱段并网时转换为 120 V。每个太阳电池翼对应 1 条功率供电通道,额定输出功率 为 10.45 kW,每 个 太 阳 电 池 翼 最 大 输 出 功 率31.00 kW。美国舱段太阳电池翼采用 2个互相正交的旋转轴实现双自由度对日定向,使太阳电池翼发电能力最大化。国内的天宫空间实验室、神舟飞船和货运飞船太阳电池翼均采用单自由度连续对日定向方式,其中天宫空间实验室采用 100 V 母线体制,功率需求为 3.5 kW,太阳电池翼峰值发电能力为 8.0 kW。神舟飞船采用 28 V 母线体制,功率需求为 1.8 kW,太阳电池翼峰值发电能力为 3.0
13、 kW。货运飞船采用100 V 母线体制,功率需求为 2.7 kW,太阳电池翼峰值发电能力为 6.0 kW。对比国内外空间站等大型飞行器的电源系统对日定向的设计情况,国外采用双自由度对日定向技术的低轨大型飞行器仅有美国国际空间站。在我国空间站建造前,国内大型飞行器未采用双自由度对日定向技术。2对日定向系统方案 2.1总体设计方案2.1.1组成与功能梦天实验舱双自由度对日定向系统采用分体组合式对日定向构型方案,通过 2 个轴向正交的单自由度对日定向子系统共同实现太阳电池翼双自由度对日定向。该系统由 A 轴对日定向子系统、B 轴对日定向子系统、桁架结构、桁架电缆、分流调节器等设备组成。A 轴对日定
14、向子系统包括对日定向装置、舱外驱动控制器、舱内驱动控制器、舱外控温仪,实现组合体构型下的单自由度对日定向,同时对日定向装置在舱外桁架与舱内之间传输 2个实验舱功率通道与 1个扩展通道的功率及信号。B 轴对日定向子系统包括 2 台驱动机构和 2 台综合驱动控制器,其中 1 台驱动机构与 1 台综合驱动控制器为同一个功率通道产品,负责该通道的太阳电池翼单自由度对日定向,同时驱动机构传输太阳电池翼的功率及信号。对日定向装置安装在舱体尾端,桁架结构22-23安装在对日定向装置转动端法兰上,2 台驱动机构安装在桁架结构上,太阳翼安装在驱动机构转动法兰上。通过桁架结构,使对日定向装置与 2 台驱动机构正交
15、刚性连接。当对日定向装置转动时,可带动桁架结构及安装在上面的 B 轴对日定向子系统和太阳电池翼转动,实现实验舱 2 个太阳翼的双自由度对日定向,如图 1(a)所示。扩展太阳翼安装在桁架结构尾端,对日定向装置转动时,带动桁架结构及扩展太阳翼一起转动,实现扩展太阳翼单自由度对日定向。舱内驱动控制器安装在资源舱内,其余的舱外驱动控制器、综合驱动控制器、舱外控温仪、分流调节器、桁架电缆等设备均安 装 在 桁 架 结 构 上,组 成 桁 架 组 件,如 图 1(b)所示。95第 40 卷 2023 年第 5 期上海航天(中英文)AEROSPACE SHANGHAI(CHINESE&ENGLISH)2.1
16、.2工作模式1)单舱飞行。梦天实验舱单舱飞行时,具备惯性系飞行和三轴对地飞行 2种飞行姿态,A轴对日定向子系统均不对日定向,对日定向装置处于锁定状态,如图 2所示。惯性系飞行姿态下,B轴对日定向子系统间歇转动补偿太阳高度角变化;三轴对地飞行姿态下,B轴对日定向子系统实现轨道周期内的0360连续转动。2)“T”字组合体飞行。梦天实验舱在轨与核心舱对接转位后,组成空间站“T”字组合体三舱构型。该构型具备三轴对地和轨道系飞行 2 种飞行姿态,在 2 种飞行姿态下,A 轴对日定向子系统实现轨道周期内的 0360连续转动,B 轴对日定向子系统间歇转动补偿太阳高度角变化,如图 3(a)所示。扩展功率通道在
17、轨构建后,扩展太阳翼从核心舱转移安装到实验舱桁架结构尾端,扩展太阳翼的电池片面朝向桁架结构 III 象限。实验舱双自由度对日定向系统进行对日定向工作时,对日定向装置带动桁架结构及扩展太阳翼一起转动,实现扩展太阳翼在轨道周期内的单自由度 0360连续转动,如图 3(b)所示。2.2A轴对日定向方案A 轴对日定向子系统包括对日定向装置、舱外驱动控制器、舱内驱动控制器和舱外控温仪。对日定向装置在发射段采用包带锁紧释放机构实现输出端锁定和承载,入轨后由爆炸螺栓实现包带的解锁,输出端采用切换锁定机构锁定。对日图 1分体组合式双自由度对日定向构型Fig.1Split combined double-deg
18、ree-of-freedom solar-oriented configuration图 2单舱飞行单自由度对日定向Fig.2Single-degree-of-freedom solar orientation of single-cabin flight图 3组合体飞行双自由度对日定向Fig.3Single-degree-of-freedom solar orientation of the combined body flight96第 40 卷 2023 年第 5 期谢朋儒,等:分体组合式双自由度对日定向系统构型及布局设计定向装置单舱飞行阶段不转动,形成三舱组合体后,由驱动控制器驱动对日
19、定向装置工作24,其中由驱动锁定机构与回转支撑机构实现驱动功能,实现太阳翼的对日定向。电传输组件中的滚环实现舱内和舱外的大功率传输,滑环25实现信号传输。热控防护组件实现热控防护与散热26,并由舱外控温仪对内环转动端局部加热控温,外环固定端的加热控温由热控分系统负责。为了满足空间站在轨寿命 15年的需求,对日定向装置采用主、备模式的双滚动支撑组件(Trundle Bearing Assy,TBA)面对面串联布置的构型方案,并在主、备模式下分别配置切换锁定机构,分别实现主、备模式下回转支撑机构的锁定或解锁,为保证系统在全任务周期内的任务可靠性,主、备模式分别配置 2 套切换锁定机构,互为备份。系
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