Проектирование механизма развёртки солнечной батареи спутника Земли на основе оригами

Актуальность

Работа рассматривает солнечную панель как наибольшую по площади часть конструкции спутника, требующую компактной укладки на момент комплектования на Земле и простого механизма развёртывания в космосе на орбите. В настоящий момент в спутникостроении пересматривают подход к видам модулей энергоснабжения.

Бескаркасные батареи имеют ряд преимуществ по сравнению с каркасными, из-за чего их применение становится всё более обсуждаемым и актуальным: 1) более низкая себестоимость; 2) более лёгкое ориентирование на Солнце, так как фотоэлементы тонкоплёночной панели сохраняют свойства при отклонении до 20°; 3) возможность эффективной земной отработки, включающей автоматическое раскрытие; 4) укладка в малый объём при транспортировке на орбиту.

Цель

Создать прототип сегмента развёртки солнечной батареи спутника Земли на основе оригами.

Задачи

1. Изучение принципов функционирования солнечной панели и различных видов развёрток солнечных панелей на космическом аппарате.

2. Разработка в программе Autodesk Inventor эскиза компактной укладки батареи на Земле с перспективой её автоматической развёртки в космосе и создание прототипа сегмента такой развёртки по созданному эскизу.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Программа автоматизированного проектирования Autodesk Inventor
• Ватманская бумага
• Эластичные резинки
• Клей ПВА
• Лазерный станок

Описание

Сначала автор изучил принципы работы солнечной панели и её виды на космических аппаратах, потом обратился к тематике эффективности развёртки и укладки панели в малый объём. Автор изучил существующие упругие механизмы раскрытия складных устройств, включая бумажные оригами, и выбрал как оптимальную пружинящую укладку оригами Миура-Ори с углами в 45 градусов как требующую минимальных усилий для раскрытия в плоскость.

Потом автор спроектировал сегменты укладки Миура-Ори в Autodesk Inventor и по полученным эскизам вырезал их на лазерном станке из предварительно склеенной в 5 слоёв ватманской бумаги, а в местах перегиба укладки в пазы между слоями вклеил эластичные резинки.

Автор сделал вывод, что такая панель экономична из-за отсутствия утяжеляющего и дорогостоящего каркаса, требует минимальной энергии доводчика для разведения в плоскость из-за своей упругости, и ремонтопригодна из-за большого количества сегментов в панели.

Результаты работы/выводы

1. Изучены основы работы солнечных панелей и их виды в космических проектах.

2. Созданы 2D-эскизы прототипа панели в Autodesk Inventor.

3. Создан прототип сегмента развёртки панели по типу оригами с углами 45°, не уступающий аналогам по надёжности конструкции, компактности, автоматизации и ремонтопригодности.

Перспективы использования результатов работы

Планируется доработка проекта до полной панели с использованием стеклотекстолита или фанеры, закрепление её на макете спутника и тестирование раскрытия в земных условиях.

Такая панель может использоваться на любых космических аппаратах и космических электростанциях вместо панелей ROSA и «гармошки», так как имеет преимущества по ремонтопригодности сегментов и отсутствию тяжёлого каркаса.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ГБПОУ «Воробьёвы Горы»

Награды/достижения

1. Московский городской конкурс исследовательских и проектных работ обучающихся 2020/2021 – призёр.

Мнение автора

«Данная работа является начальным этапом к дальнейшим разработкам. Благодарим организаторов конференции «Наука для Жизни» за то, что вместе со мной увидели большую перспективу моей идеи с оригами в космосе»