摘要
太阳能是地球取之不尽、清洁环保的核心能源。在地面上利用太阳能发电,受到大气层的吸收和散射、云雨雾雪的衰减、季节和昼夜更替的影响,能量密度较低且不稳定。在地球同步轨道上,太阳光线不会被大气层减弱,也不受季节和昼夜变化的影响,99%的时间内可稳定接收太阳辐射,平均1.353k W/m~2,约为地面的6~15倍,是建设空间太阳能电站的理想位置。空间太阳能电站是当前国际太阳能领域的前沿科学方向,聚光器是其关键核心部件,然而目前的研究都处于概念设计阶段,并存在效能低、精度低、质量大、结构复杂等技术难题。地面上太阳能系统多采用固面反射镜收集太阳能,达到高精度需要较高成本。面向空间太阳能电站对大口径太阳能聚光器的工程需求,本文提出一种轻量化、高精度的空间自展开柔性聚光器新构型,采取理论建模、计算仿真、优化设计和原理样机试验相结合的方法研究其抛物面构型原理、结构稳定性、动力学行为、聚焦精度等。首先,本文提出了基于多层板弹性花瓣镜体复合结构的大口径柔性聚光器优化创新设计方法。经过刚度优化的弹性花瓣镜体薄板,根部固定,利用柔性索牵引端部,形成抛物面。弹性花瓣镜体薄板的变刚度利用形状优化的加强筋板和打孔实现等效替代。提出一种利用软件交互的柔性薄板刚度优化设计方法,联合使用有限元软件ADINA、蒙特卡洛法、遗传算法和粒子群算法,构建刚度优化设计平台,以聚焦误差最小化为目标,优化设计加强筋板形状和小孔分布型式,控制弹性花瓣镜体薄板弯曲形成高精度抛物面,提高了聚光镜的型面精度,降低了整体质量。其次,本文提出了一种整体张拉式自展开柔性聚光器新构型,主要由形状优化的弹性花瓣、花瓣根部铰链、弹性自展开伸展臂、柔性张拉绳及绳索调整机构等组成。提出了一种弹性自展开大型伸展臂新构型,对其应变能建模,揭示自展开原理,该构型具有自展开、高刚度和高稳定性等特点。以绕轴单自由度旋转层压方式实现超大型聚光器机构展收。采用自弹性结构自身的储能和释放能量实现了整个机构的无源驱动。利用弹性铰链代替传统刚性铰链,提高机构的收纳比,降低结构的复杂性。本构型具有周向对称性,稳定性和刚度较好,具有无驱动自展开、高收纳比、轻质、结构简单等优势。最后,研制自展开柔性聚光器样机并开展试验研究。评估了聚光器结构的刚度、展收性能和聚光精度,验证了弹性自展开伸展臂的展收性能和力学特性。与传统方法相比,本文提出的聚光器新构型具有高精度、高收纳比、轻量化、高可融资性等特征,为空间太阳能电站百米级聚光器结构提供一种新的设计方法。可望应用于空间太阳能电站工程,也有望应用于空间光热系统、空间折展天线、空间望远镜系统、太阳帆等超大空间系统。