1.本发明涉及空间能源和推进技术，尤其涉及一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器。


背景技术：

2.可展开式太阳能聚束器是一类新型的空间能源和推进技术，其主要功能可以分为两个方向：
3.1)将大面积上接受的太阳直射辐照能(平行光)进行聚集，产生高密度的辐射能(具有一定立体角的光锥)，以增大能流密度、提高可利用性。例如，通常地球近地轨道的太阳能流密度为1350w/m2，地面一般小于1000w/m2，能流很低，做功能力差，实用性不强；如聚集1000倍后能流密度可达1mw/m2以上，做功能力将大幅提高，而且可展开式太阳能聚束器具有刚度大、质量轻、可靠性好等优点；
4.2)可展开式太阳能聚束器可以搭载到卫星和小型航天器上，可以用于太阳能热推进器，即直接利用汇聚的太阳能引发并驱动航天器的设备，不需要像传统的航天器那样携带足够多的燃料。它可满足太空多次重复使用及星际飞行的需要，适用于航天器在空间中完成改变轨道和调整姿态等任务和动作。而且可展开式太阳能聚束器造价低，可以重复使用，是一项重要的空间能源技术。
5.在各种聚光器中，旋转抛物面型聚光器具有聚光比大、最高运行温度高的优点和最好的聚光性能，理想的抛物面型聚光器聚光比最高，理想情况下直径为10m的抛物面型的聚束器，汇聚后的光斑直径可以达到1mm。空间作业时，航天器可能会需要高温热源做功，鉴于优良的旋转抛物面型聚光器聚光能力，是目前国际上非常实用的太阳能热推进聚光器。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术的不足，提供一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，具有聚光比大、最高运行温度高的优点。
7.本发明采用的技术方案如下：一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，包括充气薄膜太阳能聚束器、试验罐、卫星平台、充气控制系统和锁紧释放系统；所述试验罐置于卫星平台上；所述充气控制系统与充气薄膜太阳能聚束器连接；所述锁紧释放系统与充气薄膜太阳能聚束器连接；所述充气薄膜太阳能聚束器、充气控制系统和锁紧释放系统置于卫星平台的储存空腔内；所述锁紧释放系统包括顶板、两根折叠杆、约束包带和热刀装置；所述顶板与两根折叠杆连接；所述热刀装置与约束包带连接，所述约束包带包裹两根折叠杆；所述太阳能聚束器包括圆柱状气囊和旋转抛物面薄膜，所述旋转抛物面薄膜将圆柱状气囊分隔为左侧气腔和右侧气腔；所述旋转抛物面薄膜的形状为离轴旋转抛物面，由圆柱面裁切原始旋转抛物面获得，具有一定的光轴偏距；所述旋转抛物面薄膜由多片层合薄膜拼接而成，其边缘固定在圆柱状气囊的内壁；所述圆柱状气囊的底面与锁紧释放系统的顶板连接；所述充气控制系统包括气源、比例阀、充气气路；所述气源经过比例阀通过充气气
路与充气薄膜太阳能聚束器连接。
8.进一步地，所述旋转抛物面薄膜优选柔性层合薄膜，所述柔性层合薄膜以聚酰亚胺为基底材料，以铝膜为反射材料镀于聚酰亚胺上，在铝膜上表面还镀有增反膜。
9.进一步地，所述圆柱状气囊为透光的薄膜，其两个气腔的设计气压不同，左侧气腔的气压大于右侧气腔的气压，使得离轴旋转抛物面薄膜形成正高斯曲率的曲面。
10.进一步地，所述的星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，试验罐为玻璃器皿，设置于充气薄膜太阳能聚束器的焦点及附近位置；通过控制卫星平台的姿态，使得卫星平台、充气薄膜太阳能聚束器和试验罐同时发生较小的转动；当入射太阳光与离轴旋转抛物面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到焦点，加热位于焦点的试验罐；当入射太阳光与离轴旋转抛物面轴线不再平行，焦点会移动一定的距离，将太阳能聚集到两侧的试验罐，从而可将各个试验罐依次加热。
11.进一步地，所述热刀装置包括导线、热刀和热刀支座，所述热刀放置在热刀支座上，所述热刀的一端与导线连接。
12.进一步地，所述折叠杆优选三折杆结构，所述折叠杆包括扭簧，所述扭簧的一端与杆件接头连接，所述扭簧的另一端与双向节点限位底板连接，所述双向节点限位底板内固定有销轴。
13.进一步地，卫星发射前，充气薄膜太阳能聚束器被折叠后包装在卫星平台的储存空腔内；当卫星平台入轨并建立稳定姿态后，储存空腔的上盖板打开，锁紧释放系统开始工作，将充气薄膜太阳能聚束器释放出来，然后利用充气控制系统对太阳能聚束器充气，最终太阳能聚束器展开至工作状态。
14.本发明的有益效果为：本发明公开的一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器的刚度大、质量轻、造价低、可回收利用、可靠性好，可以大幅提高太阳直射辐射能流密度，有望搭载在卫星和小型航天器上用于太阳能热推进器。
附图说明
15.图1旋转抛物面示意图；
16.图2星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器总体方案示意图；
17.图3卫星平台和试验罐总体布局示意图；
18.图4太阳能聚束器结构示意图；
19.图5旋转抛物面光轴偏离图；
20.图6太阳光垂直入射时光学仿真建模图；
21.图7卫星平台绕z轴旋转1
°
时光学仿真建模图；
22.图8顶板与折叠杆示意图；
23.图9热刀装置示意图；
24.图10折叠杆和扭簧节点示意图；
25.图11充气控制系统示意图；
26.图中，1、接收器；2、聚光器；3、试验罐；4、卫星平台；5、充气薄膜太阳能聚束器；6、储存空腔；7、左侧气腔；8、右侧气腔；9、旋转抛物面薄膜；10、圆柱状气囊；11、顶板；12、折叠杆；13、导线；14、热刀；15、螺纹孔；16、通孔；17、热刀支座；18、杆件接头；19、扭簧；20、销轴；
21、双向节点限位底板；22、充气气路；23、气源；24、比例阀；
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的原理和技术方案做进一步的说明解释。
28.在各种聚光器中，理想的抛物面型聚光器和旋转抛物面型聚光器具有聚光比大、最高运行温度高的优点。由抛物线沿轴线旋转形成的面称为旋转抛物面，在凹面覆上反光层构成抛物面聚束器，旋转抛物面聚束器的聚光比非常高，约500至3000，最高聚热温度500℃～3000℃。根据光学原理，与抛物镜面轴线平行的光会聚到焦点上，焦点在镜面的轴线上，把接收器安装在反射镜的焦点上，当太阳光与镜面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到接收器，如图1为旋转抛物面聚束器的工作原理图，由旋转抛物面构成的聚光器2与安装在焦点上的点状接收器1组成。
29.拟采用充气薄膜技术，本发明公开了一种星载充气可展开式薄膜太阳能聚束器，包括充气薄膜太阳能聚束器5、充气控制系统、锁紧释放系统、试验罐3和卫星平台4等，如图2所述。所述试验罐3优选为玻璃器皿，所述试验罐3置于卫星平台4上，试验罐3的具体位置由充气薄膜太阳能聚束器5的焦点决定，试验罐3内可以存放水或者仿陨石材料。
30.卫星发射入轨前，充气薄膜太阳能聚束器5、充气控制系统和锁紧释放系统包络在卫星平台4的储存空腔6内，如图3所述。储存空腔6的尺寸主要由充气薄膜太阳能聚束器5的折叠包络体积决定。卫星平台入轨并建立姿态后，储存空腔6的上盖板打开，锁紧释放系统工作将充气薄膜太阳能聚束器5释放出来，然后利用充气控制系统对太阳能聚束器充气展开，形成工作状态。工作状态中，充气薄膜太阳能聚束器5的最下端固定在锁紧释放系统的顶板11上，而锁紧释放系统固定在卫星平台4的储存空腔6的底板上，故充气薄膜太阳能聚束器5和卫星平台4之间有了刚度较大的连接。
31.充气薄膜太阳能聚束器5包括圆柱状气囊10、旋转抛物面薄膜9，如图4所示。所述旋转抛物面薄膜9的形状为正高斯曲率的离轴旋转抛物面，旋转抛物面薄膜9由多片薄膜拼接而成，由圆柱面裁切原始旋转抛物面获得，具有一定的光轴偏距，旋转抛物面薄膜9的边缘固定在圆柱状气囊10内部。所述原始旋转抛物面薄膜9的口径为2m，焦距设计为0.6m，方程为x2+z2＝2fy f＝1.2。旋转抛物面薄膜9由直径为1m的圆柱面裁切原始旋转抛物面获得，光轴偏离距离为0.5m，方程为如图5所示。
32.所述旋转抛物面薄膜9的材料为优选柔性层合薄膜，工作面为柔性层合薄膜的内表面，工作面的底部涂有为厚度0.5mm的聚酰亚胺。以铝膜为反射膜镀于聚酰亚胺上，铝膜的厚度为10μm，铝膜成型性能好，在可见光的各系列光谱中反射率较高。为了提高反射率，在铝膜的上表面镀一层厚度为120nm的增反膜。
33.所述圆柱状气囊10由透光的薄膜研制而成，圆柱状气囊10的底面固定在锁紧释放系统的顶板11上。旋转抛物面薄膜9将圆柱状气囊10分隔为左侧气腔7和右侧气腔8，两个气腔的设计气压不同，左侧气腔7的气压大于右侧气腔8的气压，使得旋转抛物面薄膜9形成正高斯曲率的离轴旋转抛物面。
34.充气薄膜太阳能聚束器5被折叠放置在卫星平台4的储存空腔6中。当到达预定轨道后，充气薄膜太阳能聚束器5被释放出来，然后通过充气控制系统充气成型。通过控制卫
星平台4的姿态，使得卫星平台4、旋转抛物面薄膜9和试验罐3同时发生一定的转动。当入射太阳光与离轴旋转抛物面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到焦点，加热位于焦点的试验罐。当入射太阳光与离轴旋转抛物面轴线不再平行，焦点会移动一定的距离，将太阳能聚集到两侧的试验罐，从而可将各个试验罐依次加热。
35.基于几何光学，进行太阳能聚束器聚光能力分析。当太阳光垂直入射时，光学图如图6所示，仿真得到的光斑尺寸小于10mm
×
10mm，能流密度为22mw/m2。卫星平台绕z轴旋转1
°
，光学图如图7所示，仿真得到的光斑尺寸小于10mm
×
20mm，能流密度为4.16mw/m2。
36.综合仿真结果，如下表1所示：
37.表1聚光能力分析结果
[0038][0039][0040]
锁紧释放系统的主要功能就是将充气薄膜太阳能聚束器5固定在卫星平台4上，并能将它从卫星平台4的存储内腔6中释放出来，主要由顶板11、两根折叠杆12、约束包带和热刀装置；所述顶板11与两根折叠杆12连接，如图8所示；所述热刀装置与约束包带连接，所述约束包带包裹两根折叠杆12。所述热刀装置包括热刀14，所述热刀14放置在热刀支座17上，所述热刀14的一端与导线13连接，如图9所示。当接收到释放指令后，热刀装置通电开始加热，将约束包带割断，进而释放折叠杆12。所述折叠杆12为三折杆结构，折叠杆12的三等分点处设计有扭簧19和双向节点限位底板21。，所述与扭簧19的一端与杆件接头18连接，所述扭簧19的另一端与双向节点限位底板21连接，所述双向节点限位底板21内固定有销轴20。扭簧12释放弹性势能，驱动折叠杆12展开。当折叠杆12完全打开后，双向节点限位底板21将运动副锁定。如图10所示。所述热刀装置包括热刀14，所述热刀14放置在热刀支座17上，所述热刀14的一端与导线13连接。所述热刀装置通过通孔17固定在储存空腔6的内壁上，所述热刀装置通过螺纹孔15与折叠杆12紧定。
[0041]
所述充气控制系统包括气源23、比例阀24、充气气路22；所述气源23经过比例阀24通过充气气路22与充气薄膜太阳能聚束器5连接，如图11所示。所述充气控制系统的气源23为氦气或氮气。所述充气控制系统发出模拟电压，经过电压放大器驱动比例阀24。所述比例阀24用过两路充气气路22分别向左侧气腔7和右侧气腔8充气，充气至充气薄膜太阳能聚束器5展开至工作状态，两个气腔的设计气压不同，左侧气腔7的气压大于右侧气腔8的气压。
[0042]
圆柱状气囊10不可避免地会发生气体泄漏，而且左右两个气室的气压也需要精确控制.在充气薄膜太阳能聚束器5充气展开过程中，通过比例阀24控制充气气体流速，进而控制充气展开过程。在充气薄膜太阳能聚束器5工作阶段，当气腔内的气压低于设计气压
时，气压传感器会实时监控气压并向mcu实时反馈，mcu随即向比例阀24发出指令，对气腔进行补气。