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。