一种轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板
阅读说明：本技术 一种轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板 (Semi-rigid base plate of lightweight chord-tightening type solar wing ) 是由 任守志 濮海玲 刘颖 马静雅 杨淑利 马腾 于 2021-07-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板,该半刚性基板的基板框架包括多个横向主梁、多个纵向主梁、限位梁以及压紧点加强件；绷弦组件包括多个横向绷弦、多个纵向绷弦以及多个绷弦支架；多个绷弦支架与矩形框架固定连接；横向绷弦与横向主梁平行设置,两端分别绕过对称设置的绷弦支架后与纵向主梁固定连接；纵向绷弦与纵向主梁平行设置,两端分别绕过对称设置的绷弦支架后与横向主梁固定连接；限位梁用于限制横向绷弦和纵向绷弦的振幅；绷弦支架采用聚酰亚胺材料制成；横向主梁、纵向主梁以及限位梁均采用高模量碳纤维材料制成；压紧点加强件采用钛合金材料制成。上述半刚性基板能够有效降低太阳翼基板的重量面积比。(The invention discloses a lightweight strung-string type solar wing semi-rigid substrate.A substrate frame of the semi-rigid substrate comprises a plurality of transverse main beams, a plurality of longitudinal main beams, a limiting beam and a compression point reinforcing piece; the string stretching assembly comprises a plurality of transverse strings, a plurality of longitudinal strings and a plurality of string stretching brackets; the plurality of guy wire brackets are fixedly connected with the rectangular frame; the transverse guy wires are arranged in parallel with the transverse main beam, and the two ends of the transverse guy wires are respectively wound around the symmetrically arranged guy wire brackets and then are fixedly connected with the longitudinal main beam; the longitudinal guy wires are arranged in parallel with the longitudinal main beam, and the two ends of the longitudinal guy wires are respectively wound around the symmetrically arranged guy wire brackets and then are fixedly connected with the transverse main beam; the limiting beam is used for limiting the amplitude of the transverse guy wires and the longitudinal guy wires; the string stretching bracket is made of polyimide material; the transverse main beam, the longitudinal main beam and the limiting beam are all made of high-modulus carbon fiber materials; the compaction point reinforcing piece is made of titanium alloy material. The semi-rigid substrate can effectively reduce the weight area ratio of the solar wing substrate.)
技术领域
本发明涉及太阳翼技术领域，具体涉及一种轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板。
背景技术
随着技术的发展，航天器对功率的需求也越来越大，目前大型通信卫星对功率的需求达几十千瓦，因此要求太阳翼具有更大的面积，但是太阳翼的重量随着面积的增大同比例增大，由于运载推力限制，航天器的重量应尽量轻，因此要求太阳翼的重量也尽量轻。
传统刚性太阳翼基板采用碳纤维面板+铝蜂窝结构形式，其重量面积比约为(1.6～2)kg/m2，随着面积的增加，太阳翼基板重量也同比例增加，当太阳翼面积达60m2时，仅基板部分的重量将高达100kg，而太阳翼电池电路部分作为直接提供电源的部分，其重量仅60kg，远小于结构部分，因此亟需提供更低重量面积比的太阳翼基板。.
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板，能够有效降低太阳翼基板的重量面积比，进而降低太阳翼结构部分的重量，解决大型航天器太阳翼结构部分重量过大的问题。
本发明采用以下具体技术方案：
一种轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板，该半刚性基板包括基板框架和绷弦组件；
所述基板框架包括多个横向主梁、多个纵向主梁、限位梁以及压紧点加强件；所述横向主梁和所述纵向主梁纵横交叉设置形成矩形框架，所述横向主梁和所述纵向主梁在交叉点处通过所述压紧点加强件进行固定连接；所述限位梁与所述纵向主梁平行设置，并固定连接于所述矩形框架的一侧；
所述绷弦组件包括多个横向绷弦、多个纵向绷弦以及多个绷弦支架；多个所述绷弦支架沿所述矩形框架的外周侧分布，并与所述矩形框架固定连接；所述横向绷弦与所述横向主梁平行设置，两端分别绕过对称设置的所述绷弦支架后与所述纵向主梁固定连接；所述纵向绷弦与所述纵向主梁平行设置，两端分别绕过对称设置的所述绷弦支架后与所述横向主梁固定连接；
所述限位梁用于限制所述横向绷弦和所述纵向绷弦的振幅；
所述绷弦支架采用聚酰亚胺材料制成；
所述横向主梁、所述纵向主梁以及所述限位梁均采用高模量碳纤维材料制成；
所述压紧点加强件采用钛合金材料制成。
更进一步地，所述横向主梁和所述纵向主梁均为薄壁空心碳纤维结构。
更进一步地，所述绷弦支架与所述横向绷弦、所述纵向绷弦、所述横向主梁以及所述纵向主梁之间均采用胶粘连接。
更进一步地，所述基板框架还包括与所述横向主梁平行设置的多个加强梁；
所述加强梁分布于所述横向主梁之间，并与所述纵向主梁之间固定连接。
更进一步地，所述加强梁采用高模量碳纤维材料制成。
更进一步地，所述横向主梁与所述纵向主梁之间、所述纵向主梁与所述加强梁之间、所述横向主梁与所述限位梁之间均通过胶粘连接。
更进一步地，所述压紧点加强件设置有中心圆管以及均匀分布于所述中心圆管周向的四个连接凸台；
所述中心圆管的轴向与所述矩形框架的厚度方向重合；
所述连接凸台与所述横向主梁和所述纵向主梁固定连接。
更进一步地，所述连接凸台插接于所述横向主梁和所述纵向主梁内，并通过胶粘连接。
更进一步地，所述横向绷弦和所述纵向绷弦均施加有预紧张力。
有益效果：
本发明的轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板采用基板框架和绷弦组件构成，绷弦支架采用聚酰亚胺材料制成，并且横向主梁、纵向主梁以及限位梁均采用高模量碳纤维材料制成，压紧点加强件采用钛合金材料制成，从而实现了基板轻量化、高刚度、高强度的要求，使得电池板从结构上实现了最大程度的轻量化，除压紧点加强件外，其余所有部分均为非金属材料，使得面积为10m2的半刚性基板的重量面积比达到了0.8kg/m2，远小于现有刚性基板1.6kg/m2的指标，在超大型太阳翼上可有效降低太阳翼结构部分的重量。
另外，由于电池电路安装在柔性绷弦上，在主动段载荷条件下，可有效降低电池片受到的力学载荷，且在轨时可有效降低电池电路的温度，有利于提高电池电路的发电效率。
上述轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板适用于对太阳翼有轻量化要求的航天器。
附图说明
图1为本发明的轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板的结构示意图；
图2为图1中A部分的局部放大结构示意图；
图3为图1中轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板的基板框架的结构示意图；
图4为图3中B-B截面的剖视图；
图5为横向绷弦与纵向主梁的连接结构示意图；
图6为图4中压紧点加强件的立体结构示意图。
其中，1-横向绷弦，2-纵向绷弦，3-绷弦支架，4-横向主梁，5-纵向主梁，6-加强梁，7-限位梁，8-压紧点加强件，9-胶粘剂，81-中心圆管，82-连接凸台
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板，如图1、图2以及图3结构所示，该半刚性基板可用于大型航天器太阳翼基板，为电池电路部分提供承载结构；该半刚性基板包括基板框架和绷弦组件；
基板框架包括多个横向主梁4、多个纵向主梁5、限位梁7以及压紧点加强件8；横向主梁4和纵向主梁5纵横交叉设置形成矩形框架，并且矩形框架的边框由相对设置的两个横向主梁4和两个纵向主梁5交替相接构成；如图3结构所示，多个横向主梁4均沿水平方向(横向)延伸且间隔设置，横向主梁4之间的间距可以相等，也可以不等；同理，多个纵向主梁5均沿竖直方向(纵向)延伸且间隔设置，纵向主梁5之间的间距可以相等，也可以不等；横向主梁4和纵向主梁5均处于同一个平面内；横向主梁4和纵向主梁5在交叉点处通过压紧点加强件8进行固定连接，压紧点加强件8的结构可以参考图6；限位梁7与纵向主梁5平行设置，并固定连接于矩形框架的一侧；限位梁7同样设置有多个，并间隔分布；
如图2结构所示，绷弦组件包括多个横向绷弦1、多个纵向绷弦2以及多个绷弦支架3；多个绷弦支架3沿矩形框架的外周侧分布，并与矩形框架固定连接，即，在构成矩形框架的边框的两个横向主梁4和两个纵向主梁5外周侧均设置有多个绷弦支架3，设置于两个横向主梁4的绷弦支架3对称设置，设置于两个纵向主梁5的绷弦支架3对称设置；横向绷弦1与横向主梁4平行设置，横向绷弦1沿水平方向(横向)延伸且间隔设置，横向绷弦1的两端分别绕过对称设置的绷弦支架3后与纵向主梁5固定连接；纵向绷弦2与纵向主梁5平行设置，纵向绷弦2沿竖直方向(纵向)延伸且间隔设置，纵向绷弦2的两端分别绕过对称设置的绷弦支架3后与横向主梁4固定连接；如图5结构示出了横向绷弦1一端与纵向主梁5的装配结构示意图，横向绷弦1的端部半包围地缠绕于绷弦支架3的顶部之后通过胶粘剂9粘接于纵向主梁5的外侧面，纵向绷弦2与横向主梁4的连接结构同理；横向绷弦1和纵向绷弦2均为柔性绳索；
限位梁7将横向绷弦1和纵向绷弦2限位于由横向主梁4和纵向主梁5构成的矩形框架一侧，并且通过限位梁7与矩形框架之间的间距来限制横向绷弦1和纵向绷弦2的活动范围，使得限位梁7用于限制横向绷弦1和纵向绷弦2的振幅；
绷弦支架3采用聚酰亚胺材料制成；
横向主梁4、纵向主梁5以及限位梁7均采用高模量碳纤维材料制成；
压紧点加强件8采用钛合金材料制成。
上述轻量化绷弦式太阳翼半刚性基板采用碳纤维框架和柔性绳索的结构形式，并采用由横向主梁4和纵向主梁5纵横交叉连接形成的基板框架作为主要承载结构，在基板框架上设置绷弦组件，由于绷弦支架3采用聚酰亚胺材料制成，横向主梁4、纵向主梁5以及限位梁7均采用高模量碳纤维材料制成，压紧点加强件8采用钛合金材料制成，从而实现了基板轻量化、高刚度、高强度的要求，使得电池板从结构上实现了最大程度的轻量化，除压紧点加强件8外，其余所有部分均为非金属材料，使得面积为10m2的半刚性基板的重量面积比达到了0.8kg/m2，远小于现有刚性基板1.6kg/m2的指标，在超大型太阳翼上可有效降低太阳翼结构部分的重量。
另外，由于电池电路安装在柔性绷弦上，在主动段载荷条件下，可有效降低电池片受到的力学载荷，且在轨时可有效降低电池电路的温度，有利于提高电池电路的发电效率。
由于横向主梁4和纵向主梁5均为薄壁空心碳纤维结构，进一步减轻了基板框架的重量，从而提高半刚性基板的重量面积比。
在装配过程中，绷弦支架3与横向绷弦1、纵向绷弦2、横向主梁4以及纵向主梁5之间均采用胶粘连接，即，绷弦支架3通过胶粘连接的方法固定安装于横向主梁4和纵向主梁5，同时，横向绷弦1和纵向绷弦2与对应的绷弦支架3之间也通过粘接连接的方式进行固定连接，从而使得横向绷弦1和纵向绷弦2的两端均通过两个固定点进行固定连接，使得横向绷弦1和纵向绷弦2的固定连接更加牢固可靠。
为了进一步提高基板框架的结构强度和刚度，如图3结构所示，基板框架还包括与横向主梁4平行设置的多个加强梁6，在图中仅示出了两个加强梁6，在实际设计、制造过程中，可以根据实际需要增设多个加强梁6，加强梁6可以采用高模量碳纤维材料制成；加强梁6与横向主梁4平行设置，即，沿水平方向(横向)延伸，加强梁6分布于横向主梁4之间，并与纵向主梁5之间固定连接。
为了简化装配结构，横向主梁4与纵向主梁5之间、纵向主梁5与加强梁6之间、横向主梁4与限位梁7之间均通过胶粘连接。
压紧点加强件8用于承受太阳翼收拢压紧时的压紧力，把各横向主梁4和纵向主梁5承受的载荷传递到星体上。如图4和图6结构所示，压紧点加强件8设置有中心圆管81以及均匀分布于中心圆管81周向的四个连接凸台82；中心圆管81的轴向与矩形框架的厚度方向重合，即，中心圆管81的轴向与由横向主梁4的延伸方向和纵向主梁5的延伸方向形成的平面垂直设置；中心圆管81用于传递主要载荷；连接凸台82与横向主梁4和纵向主梁5固定连接，如图4结构所示，连接凸台82插接于横向主梁4和纵向主梁5内，并通过胶粘连接。如图6示出的压紧点加强件8适用于基板框架内部横向主梁4和纵向主梁5十字交叉的位置，当边框部分的横向主梁4和纵向主梁5连接时，可以采用设置有两个连接凸台82或者三个连接凸台82的压紧点加强件8进行组装，如：设置有两个连接凸台82时，两个连接凸台82可以相对设置成一字型分布，也可以成直角分布；当压紧点加强件8设置有三个连接凸台82时，三个连接凸台82成T形分布，在本实施例中不再一一赘述。
在上述各种实施例的基础上，横向绷弦1和纵向主梁5之间、纵向绷弦2与横向主梁4之间均通过绷弦支架3进行连接，在横向绷弦1和纵向绷弦2绕过绷弦支架3时，横向绷弦1和纵向绷弦2均施加有预紧张力，同时由于绷弦支架3的顶部高出基板框架，使得横向绷弦1和纵向绷弦2组成的表面高于基板框架的表面，这样可粘贴更多的电池片，从而获得更高的电池片布片效率。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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