空间实验室大面积太阳电池阵技术研究
航天器太阳电池阵的研究进展
航天器太阳电池阵的研究进展摘要：太阳电池阵是在轨航天器主要的电源系统。
太阳电池阵由连入一定电路的太阳电池纵横排列而成，利用阳光直接发电而无化学过程。
在太阳电池阵的发展历程中，其构型不断演变，变得日趋先进与完善。
如今太阳电池阵的设计更多的融入发散思维与创新思维，在向新的台阶跨进，以满足更为复杂的航天任务。
在本文中，我们将对太阳电池阵的发展历程进行回顾，并了解其发展现状以及展望未来的前景。
关键词：航天器、电池阵、结构、材料、功率大、质量小、发展过程1.引言太阳电池阵简称太阳阵（Solar Array），是航天器上的太阳能电池组成的阵列，由多个带盖片的单体太阳电池按供电要求以串、并联方式组成。
①它有着功率大、寿命长、质量小、构造简单、可靠等一系列优点，在宇宙空间中，它能吸收太阳的辐射能并将其转化为电能，为在轨航天器提供动力源。
1957年前苏联发射的第一颗人造地球卫星开启了人类的空间探索时代。
随着各种航天器的发射运行，太阳电池阵作为航天器的电源不断更新以适应日益严苛的工作条件。
20世纪60年代以来，随着载人飞船、空间站以及深空探测计划的进一步实施，对航天器太阳电池阵提出了更高的要求。
②如今人类对于宇宙空间的探索不断加深，航天器太阳电池阵所承担的任务也不断加剧，功能方面的不断细致化以及电力方面不断提高的需要等都在促使着航天器太阳电池阵不断地创新与进步。
2 航天器太阳电池阵的发展过程第一种实用性的太阳电池是1954年研制成功的。
然而由于这类早起点吃的价格较高，效率较低，加之顾客对许多新产品通常持有的怀疑态度，因此阻碍了它们的广泛应用。
20世纪60年代，日本、法国、苏联等国家通过不同的方法使太阳阵的功能及效益得到改善得以使之投入应用之中。
而太阳阵在航空器上的应用则是从人类探索宇宙后不久即开始了。
1957年10月4日，苏联把第一颗人造卫星送入地球轨道，意味着空间时代的开始，但是这颗卫星和苏联之后发射的第二颗人造卫星一样都只是使用化学电池作为能源。
月球科研站未来太阳电池阵设想
月球科研站未来太阳电池阵设想
刘吉晔;尹兴月;宋相毅;肖云鹏
【期刊名称】《电源技术》
【年(卷),期】2024(48)3
【摘要】随着我国发布国际月球科研站项目,能源系统的需求逐渐清晰。
太阳电池阵作为能源系统的重要组成部分,其性能指标尤其是体积比功率要求将越来越高。
目前国内外航天器上应用最多的刚性或半刚性太阳电池阵的质量及收拢体积难以满足任务要求。
因此,迫切需要开展高效轻质大面积太阳电池阵的技术研究,在满足大功率的前提下,减轻质量,减小收拢体积,对比分析了扇形展开式和卷绕展开式柔性太阳电池阵的优劣,针对科研站建设的不同时期给出了选用意向,并给出了下一步技术攻关方向,为我国未来月球科研站太阳电池阵的发展,起到有效的支撑和促进作用。
【总页数】5页(P416-420)
【作者】刘吉晔;尹兴月;宋相毅;肖云鹏
【作者单位】中电科蓝天科技股份有限公司;武汉理工大学自动化学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM914
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2.月球巡视器太阳电池阵电性能仿真模型参数辨识方法
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5.载人月球科研试验站建设规划及设想
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新型高压太阳电池阵在低轨等离子体环境中的适应性分析和研究
中，来 自空间等离子体的离子被互连片上的负电位 吸附 ， 电池阵玻璃盖片上聚集了大量的离子 ， 产生表
层 电场 ， 时 ， 此 ＞ ， 成反 电动势 。针 对 ＨＶ Ａ ０形 Ｓ
的 负偏 压 引 起 的静 电放 电 的影 响 大 致 可 以分 以 下
离子体效应也越显突出， 为此 ， 近年来国外对高压太 阳电池阵的等离子体效应 和防护 的研究极 为重视 ， 成为采用高压太 阳电池阵必须解决的关键技术 。本
低轨道等离子体环境和高轨道是不 同的，其对 高压太 阳电池阵影响的机理也是不同的。结合上述 项 目的研究成果 ，需要进行太阳电池 阵低轨道等离 子体试验 ，以验证试验实施的可行性和防护措施的 有效性。 通过该试验的实施 ， 以掌握试验中关键的 可
载人航天 ２ １ 年第 ６ ０１ 期
Ｉ程技术
技 术 ， 将试 验 成果 补充 到上 述 的机理 分析 中 ， 成 并 形
全面的研究报告。 试验具有一定的前瞻Ｉ 结合国外 生， 已经较为成熟的试验方法 ， 将试验中测试所得参数
去修 正我 困研 制 的 Ｈ Ｓ Ｖ Ａ设 计方 案 。试验 全 程通 过 摄 像 机进 行 录制捕 获放 电影 像 。试验 件所 采 用材 料
工程 技术
载人航天 ２ １ 年第 ６ ０１ 期
新型高压太 阳电池阵在低轨等离子体环境 中的 适应性分析和研究
杨 华 星 毕 雨 雯 ｚ 路 火平 ・
（ １上海宇航系统工程研究所
摘
２上海航天技术研究院）
要 空间 实验 室所 处 的低 地球 轨 道 ，空 间环 境 复 杂 多样 ，高压 太 阳电池 阵的 空 间
大 气 的一个重 要层 区 。 它是 由太 阳光 能 电磁 辐射 、 宇
空间太阳能电站发展综述及对构建全球能源互联网的影响
空间太阳能电站发展综述及对构建全球能源互联网的影响能源和环境问题是关系到国家政治、经济和安全的重大战略问题;空间太阳能电站作为一种能够大规模稳定利用太阳能的方式,日益受到世界主要航天大国的高度关注;随着空间技术和相关技术领域的快速进步,空间太阳能电站有可能成为实现可再生能源战略储备的重要手段;一、空间太阳能电站概述空间太阳能电站SPS,也称为太空发电站,是指在空间将太阳能转化为电能,再通过无线能量传输方式传输到地面的电力系统图1,也包括直接将太阳光反射到地面、在地面进行发电的系统;图错误!未定义书签。
空间太阳能电站示意图相对于地面太阳能光伏发电,空间太阳能发电具有明显的效率优势;据中国空间技术研究院副院长、研究员李明介绍,由于太空的太阳辐射每平方米可以达到1353瓦,是地面的5倍以上,在地球同步轨道,99%的时间可以接受太阳能辐射;如果在地球同步轨道上部署宽度为1000米的太阳能电池阵环带,以转换效率100%计算,从理论上说,其1年接受的太阳能辐射,可以为地球可知开采石油储能的能量总和;随着世界能源供需矛盾和环境保护问题日益突出,国际上开展了广泛的空间太阳能电站技术的研究,目前已经提出了几十种概念方案,并且在无线能量传输等关键技术方面开展了重点研究;近年来,太阳能电池发电效率、微波转化效率以及相关的空间技术取得了很大进步,为未来空间太阳能电站的发展奠定了良好的基础;虽然空间太阳能电站没有不可逾越的技术原理问题,但作为一个非常宏大的空间系统,其发展还存在许多核心技术难题,需要开展系统的研究工作,以取得突破性进展;二、空间太阳能电站的最新进展国外发展概况空间太阳能电站的应用前景引起了国际上的广泛关注,以美国、日本等为代表的多个国家对于空间太阳能电站开展了长期的研究工作;21世纪以来,越来越多的国家、组织、企业和个人都开始关注空间太阳能这种取之不尽的巨大空间能源;1美国美国是在SPS领域投入资金最多的国家,也是研究最长的国家,推出了众多创新性的概念方案和技术,虽然未列入正式的国家发展计划,但得到了持续的关注和支持;20 世纪70 年代末,美国能源部和美国航空航天局NASA 耗资5000 万美元开展SPS 系统和关键技术研究,完成第一个详细的SPS 方案——5GW的1979 参考系统;1995 年,NASA 开始重新评估空间太阳能电站的可行性;1999 年,NASA 投资2200万美元开展了“空间太阳能发电的探索研究和技术计划SERT ”研究;该计划提出了空间太阳能电站的发展路线图,并提出了集成对称聚光系统等新概念;2007 年,美国国防部发表了“空间太阳能电站作为战略安全的机遇”中期报告,引发了新一轮的空间太阳能电站的研究热潮;2009 年,美国PG＆E 公司宣布与Solaren 公司签署了正式购买200MW SPS 电力的协议,成为世界第一个SPS 购电协议;2日本日本是第一个将SPS正式列入国家航天计划的国家,提出了正式的发展路线图图2,得到了长期持续的关注和发展;虽然投入有限,但在无线能量传输等领域处于世界先进水平;图错误!未定义书签。
航天器高压太阳电池阵列ESD_检测用柔性天线传感器
Vol. 40, No. 5航 天 器 环 境 工 程第 40 卷第 5 期492SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING2023 年 10 月https:// E-mail: ***************Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544航天器高压太阳电池阵列ESD检测用柔性天线传感器张国治1，汪令仪1，张翰霆1，冯 娜2，王 海2，张晓星1*（1. 湖北工业大学 新能源及电网装备安全检测湖北省工程研究中心，武汉 430068；2. 北京东方计量测试研究所，北京 100094）摘要：为完善地球同步轨道（GEO）航天器静电放电（ESD）风险评估手段，文章根据空间ESD辐射电磁波频带特性，利用三维电磁场仿真软件ANSYSS HFSS，采用矩形贴片天线等效技术、梯形地平面技术和CPW馈线指数渐近线化技术开展航天器高压太阳电池阵列ESD检测用柔性天线传感器研究。
采用聚酰亚胺（PI）作为柔性天线基底，其厚度为0.28 mm；柔性天线在弯曲半径分别为100、300、500 mm 以及不弯曲条件下，300 MHz～2 GHz频带范围电压驻波比（VSWR）小于3，其中在650 MHz～2 GHz 频段范围VSWR小于2。
通过搭建的ESD模拟试验平台对传感器的电磁脉冲（EMP）信号检测性能进行实测分析，结果表明传感器能够有效地检测到高压太阳电池阵列表面的ESD EMP信号，具有用于航天器ESD故障预警的潜力。
关键词：航天器；高压太阳电池阵列；静电放电；柔性天线传感器；电磁脉冲检测；单极子天线中图分类号：V520.6; O441.5文献标志码：A文章编号：1673-1379(2023)05-0492-09 DOI: 10.12126/see.2022120Flexible antenna sensor for ESD detection ofspacecraft high voltage solar cell arrayZHANG Guozhi1, WANG Lingyi1, ZHANG Hanting1, FENG Na2, WANG Hai2, ZHANG Xiaoxing1*(1. Hubei Engineering Research Center for Safety Monitoring of New Energy and Power Grid Equipment, Hubei University ofTechnology, Wuhan 430068, China; 2. Beijing Orient Institute of Measurement and Test Organization, Beijing 100094, China) Abstract: In order to improve the electrostatic discharge (ESD) risk assessment method for geosynchronous orbit (GEO) spacecraft, research on flexible antenna sensors for spacecraft ESD radiation detection were carried out in this article. Based on the frequency band characteristics of space ESD radiation electromagnetic wave, the means applied included the three-dimensional electromagnetic field simulation software ANSYSS HFSS, the equivalent technology of rectangular patch antenna, the trapezoidal ground plane technology and the CPW feeder exponential asymptotic technology. Polyimide (PI) was used as the base of the flexible antenna, and its thickness was 0.28 mm. The voltage standing wave ratio (VSWR) was less than 3 in the 300 MHz to 2 GHz frequency band range when the bending radius was 100, 300, 500 mm and no bending, of which the VSWR was less than 2 in the 650 MHz to 2 GHz frequency band range. The electromagnetic pulse (EMP) signal detection performance was measured and analyzed by the ESD simulation test platform. The results show that the designed antenna can detect ESD EMP signal effectively, with the potential to be used for spacecraft ESD fault warning.Keywords: spacecraft; high voltage solar cell array; ESD; flexible antenna sensor; EMP detection; monopole antenna收稿日期：2022-11-07；修回日期：2023-09-17基金项目：国家自然科学基金项目（编号：52107144）；湖北省教育厅科技项目（编号：Q20211401）引用格式：张国治, 汪令仪, 张翰霆, 等. 航天器高压太阳电池阵列ESD检测用柔性天线传感器[J]. 航天器环境工程, 2023, 40(5): 492-500ZHANG G Z, WANG L Y, ZHANG H T, et al. Flexible antenna sensor for ESD detection of spacecraft high voltage solar cell array[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2023, 40(5): 492-5000 引言随着航天技术的快速发展，高压太阳电池阵列作为航天器的主电源，其对运行安全性的要求越来越高[1-2]，100 V及以上的高压电池阵列已经普遍应用于地球同步轨道（GEO）航天器。
太阳能电池阵列设计与优化
太阳能电池阵列设计与优化随着环保意识的提高和能源消耗的加剧，太阳能成为了一种热门的可再生能源，其中最为常见的利用形式就是太阳能电池阵列。
在太阳能电池阵列的设计和优化中，有许多关键的因素需要考虑，本文将从以下几个方面进行探讨。
一、太阳能电池阵列的基本构成太阳能电池阵列是由一系列太阳能电池串联或并联而成，形成一个整体电路。
其中，太阳能电池是太阳能电池阵列的核心部件，其主要作用就是将太阳能转化成直流电能。
在组成太阳能电池阵列的过程中，除了太阳能电池以外，还需要包括支架、支撑杆、接线盒、逆变器等配套设备。
二、太阳能电池阵列的设计原则在进行太阳能电池阵列的设计之前，需要明确其设计原则。
太阳能电池阵列的设计原则主要包括以下几个方面：首先，保证电路的稳定性和安全性；其次，根据实际需求和环境条件，选择合适的电池组合方式；最后，进行合理的电池布置和配电，以提高太阳能电池阵列的使用效率。
三、太阳能电池阵列的优化方法对于太阳能电池阵列而言，其优化方法包括了很多方面。
其中，最为重要的就是选择合适的太阳能电池类型和组合方式。
此外，逆变器的选择、电池排布方式、电缆线路的优化等也都可以对太阳能电池阵列的性能进行优化。
此外，对于爆晒、阴雨等天气情况下，还可以根据天气情况对电池进行合理的调节和管理，以减少能源损失。
四、太阳能电池阵列的安装和维护在安装太阳能电池阵列时，需要注意以下几个方面：首先，选择安装地点时应避免强阳光直射，同时也要考虑场地的通风条件；其次，支架和支撑杆的安装需要保证其稳定性，以避免电池组件、逆变器等设备受到损害。
在维护方面，需要定期对太阳能电池阵列进行清洗、检查和维护，以保证其正常运行。
五、太阳能电池阵列的应用前景随着科技的不断发展和太阳能电池阵列的性能提升，太阳能电池阵列的应用前景越来越广泛。
目前，太阳能电池阵列已广泛应用于家庭、农村、商业和工业等领域，并且在未来的发展中，其应用范围还将不断拓展。
相信在不久的将来，太阳能电池阵列将成为一种热门的清洁能源，在推动能源结构转型的过程中发挥着重要的作用。
航天器太阳电池阵热-结构分析研究进展
生随时间变化 的温度梯度 ， 导致结构的热变形和热致振动 ， 对航天器的正常运行产生重要影响。文中从 航 天 器在 轨运 行 空 间热环境 分析 出发 ， 综述 了太阳 电池 阵 的热 分析 、 构 单元 热 一 构分 析 和热 稳 定性 结 结
分析 的研 究进 展 ， 讨 了太 阳电池 阵热一 探 结构 分析 的 未来发展 方向 。 关键 词 ： 太阳 电池 阵 ； 分析 ； 热 热诱振 动 ； 一 构分析 热 结 中图分 类号 ： ４ ４ Ｖ １ 文献标 识码 ： Ａ 文章编 号 ：０ ８ ５ ０ （０ ２ ０ － ０ １ ０ １０ — ３ １０ ８ ； １中 ００ ３ ２ ．清华 大学 摩擦 学 国家 重点 实验 室 ， 密仪 器与 机械 学 系 ， 北 京 １０ ８ ） 精 ０ ０４ 摘 要 ： 阳 电池阵作 为航 天 器的 主要 附件 ， 轨 运行 期 间经历 冷 热 交 变的 复 杂热 环 境 ， 结构 内部产 太 在 在
第２ ８卷 第 ４期
２１ ０ ２年 ８月
太阳能在航空航天中的应用
近几年世界各国家对于航天事业的关注越来越大，航天器的研究也越来越广泛，而作为航天器的主流能源供给系统的太阳电池阵也在技术、结构等方面不断地得到提升，逐步适应各种高难度复杂的航天要求。
太阳电池阵是在轨航天器主要的电源系统。
太阳电池阵由连入一定电路的太阳电池纵横排列而成，利用阳光直接发电而无化学过程。
在太阳电池阵的发展历程中，其构型不断演变，变得日趋先进与完善。
如今太阳电池阵的设计更多的融入发散思维与创新思维，在向新的台阶跨进，以满足更为复杂的航天任务。
在本文中，我们将对太阳电池阵的发展历程进行回顾，并了解其发展现状以及展望未来的前景。
关键词：航天器电池阵发展过程绪言 (3)一.空间环境对太阳电池阵的影响 (4)1.1空间粒子辐射对太阳电池阵的影响 (4)1.2原子氧(LEO)对太阳电池阵的影响 (4)1.3地磁亚暴对太阳电池阵的影响 (5)二.航天器太阳电池阵的发展过程 (6)三.航天器太阳电池阵的发展现状 (8)四.航天器太阳电池阵的前景与展望 (9)五.结束语 (10)参考文献 (11)绪言对于航天器，我们所知甚少，而太阳能电池阵，就少之又少，而太阳能是航天器上最广泛的能源。
太阳能电池阵有时也称为太阳能帆板，是将太阳能转换成电能的装置。
它的面积很大，在航天器的两边展开，因此又叫做太阳翼。
它上面贴有半导体硅片或砷化镓片，就是它们把太阳能转换成电能。
早期的航天器上太阳能电池阵是设置在航天器的外表面，后来因为用电需求不断增加，才发展成巨大的帆板的，而这种帆板也在不断地增大中。
20世纪90年代以来，随着空间站、载人飞船、以及深空探测计划的进一步实施，对航天器太阳电池阵提出了更高的要求。
对于太阳能电池的研究，我国是从1958首块硅单晶的研制成功开始的，经历了60多年的发展，目前已经非常普遍的应用于人民的生活中。
太阳能电池的研制最先就是应用于航天方面的，在“实践1号卫星”的航天过程中首次使用。
虽然经历了很多的挫折和失败，但同时也得到了更多宝贵的经验。
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文章编号:1006-1630(2003)04-0010-05空间实验室大面积太阳电池阵技术研究李瑞祥,王治易,肖 杰,狄文斌,肖余之(上海宇航系统工程研究所,上海201108)摘 要:介绍了空间实验室大面积太阳电池阵的方案构型,并进行了模态分析、热结构耦合分析和动力学仿真分析。
生产出了全尺寸的集成演示样机,进行了展开试验、主展开机构的模态试验,以及半刚性太阳电池板和二自由度驱动机构的振动试验。
计算和试验结果表明,技术方案是可行的。
关键词:空间实验室;太阳电池阵;展开机构;演示系统中图分类号:V 442;T M 914.43 文献标识码:AStudy on Technology of Large Area Solar Array in Space LabLI Ru-i x iang ,WANG Zh-i yi,XIAO Jie,DI Wen -bin,XIAO Yu -zhi(A erospace System Engineering Shang hai,Shanghai 201108,China)Abstract :T he co nfiguration of large solar array in space lab is put forward in this paper,and the mode,ther mal coupling and dynamics stimulat ion analysis is made.T he integrated demonstration system model of large so lar array has been produced already.O n the base of the sampler,the tests of deplo yment,main deployment mechanism mode,sem-i r igidity so lar cell panel vibration and two -dimension driv e mechanism are carr ied out.T he result o f the analysis and test is show ed that this technology project is feasible.Keywords :Space lab;Solar array ;Deployment mechanism;Demonstration mo del收稿日期:2002-06-14;修回日期:2003-05-21作者简介:李瑞祥(1964~),男,研究员,主要研究方向为航天器结构与机构。
0 引言未来空间实验室和大型航天器的太阳电池阵单翼展开长度将大于几十米。
由此带来了一系列必须解决的技术问题,即应尽量满足质量小、展开可靠性高和弯曲自然频率尽可能高的要求。
但这3个独立的设计参数是相互制约的,必须进行特定优化和权衡设计。
若采用大面积的刚性太阳电池阵,则质量就成为突出的问题。
为实现超轻型化,国际上普遍采用半刚性和柔性的太阳电池阵作为主要研究对象[1]。
加拿大技术卫星(CTS)第1次使用柔性折叠式太阳电池阵,它由若干块柔性敷层组成。
这些敷层在收藏时能像手风琴那样折叠起来,进入空间后可用1根可伸展的支杆展开。
德国MBB 公司制造的超轻板(U LP)太阳阵,采用刚性框架支撑预紧的薄膜基板。
法国戈纳航空空间公司也进行了类似的研究,其每块板都由空心的碳纤维复合材料方形管组成,太阳电池安装在预紧的柔性Kapton 基板上。
美国洛克希德公司研制的电推进(SEPS )太阳电池阵是第1次采用电推进的大型可回缩柔性太阳电池阵。
它每翼有41块折叠太阳板,用可盘绕的格子式连续梁支柱展开。
为了使太阳电池阵可以回缩,每半块板用碳纤维复合材料框架加强。
美国休斯公司研制的柔性卷式太阳阵(FRU SA)已应用于/哈勃0太空望远镜。
日本的大型地球观察卫星ADEOS 、美国的飞行试验太阳电池阵(SAFE)和洛克希德公司为俄罗斯/和平号0空间站生产的太阳电池阵,以及美国洛克#马丁公司为国际空间站制造的可展开、可收缩的太阳电池阵均为半刚性和柔性的太阳电池阵[2,3]。
包装式柔性太阳阵的中心机械元件是能使太阳电池基板伸展和收缩的展开支柱。
它在整个太阳阵系统中占的比重很大,要求质量轻、包装尺寸小、可靠性高、热变形小和定位精度高,并有足够的刚度与强度。
就大型结构的刚度和质量来说,桁架形式的梁结构是最有效的,它具有结构质量小、刚度好、外形尺寸小和热变形小的特点。
这些铰链或盘绕的格子式支柱结构的效率较高,已成为很多大型太阳电池阵伸展机构的优选类型,也是近年来的主要发展趋势[1]。
我国也开展了空间实验室大面积太阳电池阵技术的研究。
通过方案论证,对适合我国未来空间实验室的大面积太阳电池阵的构型、展开形式、结构材料和太阳电池片等方面,提出了技术要求,并进行了集成技术研究。
其中可伸缩的杆状构架式展开机构的研制成功,还为大型天线、太阳帆和重力梯度杆等提供了应用基础。
1 方案设计1.1 总体构型空间实验室大面积太阳电池阵的总体构型,需适应我国未来空间实验室的布局和发展。
空间实验室设置两翼太阳电池阵,发电功率大于10kW,每翼面积为42m 2,有16块太阳电池板组成,每块板尺寸为3984mm @618mm,主展开机构安装在太阳电池板的背面。
在展开状态下,板间间距为48mm;压紧状态下,板间间距为15mm 。
展开状态下的总长度为112400mm,如图1所示。
收拢状态下的外形尺寸为4024mm @1176mm @545mm,如图2所示。
收拢后的主展开机构旋转90b ,与太阳电池板图1 太阳电池阵展开状态构型Fig.1 Deployment configuration of solar array处于平行状态。
这样的结构布局可以充分利用整流罩空间,使太阳电池阵安装紧凑。
1.2 组成设计的空间实验室大面积太阳电池阵集成演示系统,主要由基板、主展开机构(桁架)、展开控制器、硅太阳电池、线路电缆和二自由度驱动机构等组成。
1.2.1 基板采用由碳纤维复合材料边框和Kevlar 纤维网格面板组成的半刚性基板,这种结构的电池片散热较好,并且反面可以利用地球反射光发电,从而提高电池片的发电效率。
1.2.2 主展开机构主展开机构主要用于支撑大面积半刚性基板,只有采用刚性好的展开机构才能提高整体结构基频。
主展开机构主要由截面为三角形的可折叠空间图2 太阳电池阵收拢状态构型Fig.2 Slow ed configuration of solar array桁架、收藏箱、展开电机、减速装置和折叠机构等组成,它可以在空间多次伸缩展开,还可以通过宇航员出舱活动进行手动伸缩展开。
空间桁架的截面为正三角形,边长为300mm,每1节桁架长度为300 mm,共35节。
完全展开时的长度为12528m m,其中最后1节留在箱体内。
空间桁架完全收拢后的尺寸即为箱体尺寸,高度为878m m。
碳化硅增强铝基(SiCp/Al)复合材料具有比刚度大和热膨胀系数低的特点,如表1所示。
表1铝合金、钛合金和SiC p/Al复合材料性能比较Tab.1The perform ance comparison of aluminum alloy, titanium alloy and SiCp/Al composites性能S iCp/Al LD10TC4密度/(g#cm-3) 2.85 2.8 4.5抗拉强度/M Pa5004601000比强度/102m175164222拉伸弹性模量/GPa9572110比刚度/105m332624膨胀系数/(10-6#e-1)16.622.58.9由表1可见,SiCp/Al复合材料比强度和热膨胀系数介于基体铝合金(LD10)和钛合金(TC4)之间,因此,将其用于空间桁架结构是非常合适的[4,5]。
该主展开机构的3根螺杆和空间网格上的所有立杆、特型螺母均采用SiCp/Al复合材料,充分发挥了颗粒增强铝基复合材料高比模量和良好耐磨性的优势。
这是SiCp/Al复合材料在我国航天领域中一次较大规模的应用。
1.2.3展开动力展开电机采用直流无刷电机,它具有普通直流有刷电机良好的调速特性和启动性能,又从根本上消除了换向火花等弊端,具有长寿命、高可靠性和低噪声等优点。
减速装置采用圆柱齿轮传动,二级减速。
对相对运动的接触表面涂防冷焊的固体滑润膜。
展开控制器主要由指令通信单元、译码控制单元、功率驱动单元和故障检测切换单元等组成。
展开控制器接收来自控制分系统的控制指令,按指令要求向展开机构电机输出所需的驱动信号,使展开机构带动太阳阵展开和收拢。
1.2.4太阳电池和线路电缆系统集成了单片面积为8cm@8cm的硅太阳电池。
对太阳电池线路电缆和太阳电池与半刚性基板的粘贴技术,进行了深入的研究并取得了突破。
半刚性太阳电池板经过了力学环境和光照试验,结果表明,各种性能满足空间实验室指标要求。
1.2.5二自由度驱动机构二自由度驱动机构由电机、齿轮传动装置、电缆与滚环或滑环等电传输装置组成,它有2个互为垂直的驱动轴(即与太阳电池阵连接的A轴和与航天器连接的B轴),可以在不同的轨道倾角上,根据航天器姿态控制指令,对日实施跟踪和捕获,使太阳电池阵始终指向太阳,并与航天器的姿态无关。
传输电功率大于5kW,功耗小于25W。
A轴的转角范围为360b(连续),采用滑环传输方式;B轴的转角范围为?75b,采用电缆传输方式。
二自由度驱动机构的工作模式有捕获、跟踪、归零和锁定数种。
研制的二自由度驱动机构样机,完成了各种力学环境和空间环境试验。
结果表明,该样机的设计方案是可行的,满足性能指标要求。
2设计分析2.1结构模态分析空间桁架上的铰链接头、对角张力元件和桁架梁等构成了潜在的非线性元件,使桁架在总体上呈现非线性特性。
桁架的固有频率、阻尼比等模态参数随输入激励的幅值、方向、支承刚度和所施加的预载荷而变[6,7]。
利用M SC/NASTRAN分析软件,计算这种网格结构的结构动力学,具有一定的难度,因为它是一种非线性结构。
结合MSC/NAST RAN分析软件,通过建模分析,对空间实验室大面积太阳电池阵结构不同阶次的模态频率f进行了计算,计算结果如表2所示。
表2太阳电池阵结构模态频率Tab.2Model frequency of solar array阶次1234f/H z0.220.61 1.02 1.07振型弯曲侧摆弯曲弯曲由表2可见,一阶固有频率为0.22Hz,振型为面内弯曲,二阶振型为侧摆,三阶和四阶均为弯曲振型。
前四阶的振型图如图3所示。
图3 振型图Fig.3 Model shape2.2 ADAMS 仿真分析利用ADAMS 软件,进行运动学和动力学的动态仿真分析计算,以验证和分析桁架在收缩和展开过程中能否正常工作,是否会出现/卡死0现象;计算桁架在收缩和展开过程中所需的动力以及随时间的变化;计算弹簧刚度和对角支撑杆的张紧力;给出运动特性曲线和受力分析曲线;同时对机构性能进行评估,对各受力部件的受力情况进行分析,并为机构设计提供依据。