Ученые из Харбинского технологического университета и Тайюаньского технологического университета в Китае разработали новую конструкцию крупных космических солнечных батарей. Ее основой стала надувная пространственная ферма, которая после раскрытия на орбите образует жесткий каркас и значительно повышает устойчивость солнечных панелей к изгибам и вибрациям. Надувные элементы позволяют компактно разместить конструкцию внутри ракеты-носителя, а после вывода на орбиту развернуть ее до размеров в сотни метров.
По мере развития космической техники размеры солнечных батарей постоянно увеличиваются. Особенно это важно для проектов орбитальных солнечных электростанций, которые в будущем могут собирать солнечную энергию в космосе и передавать ее на Землю. Однако по мере увеличения размеров солнечные батареи становятся все более гибкими. Даже небольшой поворот спутника способен вызвать сильные колебания конструкции, которые могут сохраняться в течение длительного времени.
Чтобы решить эту проблему, ученые рассмотрели два варианта усиления солнечных батарей. Первый предусматривал установку за панелями нескольких длинных надувных балок. Второй – создание полноценной пространственной фермы, напоминающей каркас моста или строительной конструкции.
Сначала исследователи изготовили и испытали опытный образец длиной 4 метра. Выяснилось, что надувные балки действительно повышают жесткость конструкции: основная частота собственных колебаний увеличилась примерно на 21%. Однако расчеты показали, что для по-настоящему крупных систем такой эффект оказывается недостаточным.
Поэтому ученые смоделировали работу солнечной батареи длиной более 150 метров. Оказалось, что установка надувных балок практически не меняет ситуацию: основные частоты колебаний возрастают менее чем на 2%, что почти не влияет на устойчивость конструкции.
Гораздо лучшие результаты показала пространственная надувная ферма. Без диагональных раскосов она увеличивала основную частоту колебаний примерно в 13 раз по сравнению с обычной солнечной батареей. А добавление диагональных элементов дополнительно повышало жесткость конструкции: первые шесть собственных частот увеличивались более чем в 2,6 раза по сравнению с фермой без раскосов.
Ученые также проверили, как такая система будет вести себя во время маневров спутника. В модели аппарат поворачивался на 10°, после чего солнечная батарея начинала колебаться. Расчеты показали, что пространственная ферма не только уменьшает амплитуду вибраций, но и позволяет конструкции быстрее вернуться в устойчивое состояние. Дополнительное использование демпфирующих материалов ускоряет затухание колебаний еще сильнее.
По мнению исследователей, предложенная технология может использоваться при создании будущих орбитальных солнечных электростанций, крупных антенн связи и других сверхразмерных космических конструкций.
