空间实验室大面积太阳电池阵技术研究

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:A

Study on Technology of Large Area Solar Array in Space Lab

LI 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