航天器太阳帆板发展史

航天器太阳帆板简单介绍XXXXXXXXXXXXXXX摘要：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。本文便是针对航天器中太阳帆板的相关资料进行的整理，主要包括其分类、各相关技术的研究已经国内外的现今研究成果。关键词：航天器太阳帆板；太阳翼；太阳电池阵；The Brief of Spacecraft Solar PanelsAbstract : In recent years，the global world is paying more and more attention on the space industry, and the study of spacecraft is becoming more and more widely. As the mainstream of the spacecrafts energy supply systems, the solar array is getting better in technology, structure and so on, to adapting to all kinds of the harder and harder space requirement. This article is written for something about the spacecraft solar panels, from the collations. It mainly include the classification and the relevant technology research home and abroad.Key words: spacecraft solar panels; solar wing; solar array;【引言】对于航天器，我们所知甚少，而太阳帆板，就少之又少。在收集了大量的资料后，对太阳帆板有关信息进行了一下整理。 首先，卫星等航天器的能源有三种：电池，核发电和太阳能。而太阳能是航天器上最广泛的能源。太阳能电池帆板有时也简称为太阳能帆板，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。所以，太阳能帆板也就是所说的太阳能电池阵。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，才发展正巨大的帆板的，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。另外，需要说明的是，航天器太阳能帆板是航天器上的一个装置，而太阳帆是一种航天器，它是利用太阳能的光亚进行宇宙航行的，这里就不做赘述了。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。 1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。在 1971 年“实践 1 号卫星”成功发射，经过 8 年的使用，硅太阳电池功率衰减也只有 15%。但是在 1969 年，我们结束了硅太阳能电池研制，同时随着航天器中能源需求的不断增大，太阳能电池阵的发展日趋完善。 1【太阳能帆板组成】一般情况下,折叠式太阳帆板分布于卫星沿轨道飞行方向两侧。每边太阳帆板都由三块电池板、一块互连板、压紧释放装置、伸展锁定机构、板间铰链和爆炸螺栓等组成。太阳帆板依靠压紧机构收拢折叠于卫星本体侧壁上。当卫星入轨后,压紧机构释放,由板间铰链内的驱动扭簧使各板展开,最图 1.后展成一个平面的太阳电池阵。其中,卫星太阳翼展开的示意图如图1.所示。【太阳能帆板的分类】1. 本体安装的太阳能帆板：本体安装的太阳能帆板是各类太阳电池阵中最简单的一个，主要用于很多早期较小型的卫星。这种卫星一般是功率要求比较低而且是自旋稳定的。这种情况下的太阳能帆板的利用率很低，而且有最大输出功率的限制，一般这种太阳能帆板的功率是 50W 到 1000W。但是这种太阳能帆板相对于可展开的种类比较简单，危险性小甚至没有危险。 462. 可展开的太阳能帆板：如图 2.所示，可展开的太阳能帆板又可细再做细分：1) 一种是方位（相对于卫星本体轴线）总是保持固定的太阳能帆板；另一种是通过驱动机构或消旋平台与卫星连接，在卫星沿其轨道运动时，能保持对太阳的定向的太阳能帆板。2) 还有一种是是按照其安装太阳能基板来分类的：刚性板和柔性板，它们主要是根据基板本身的物理性质决定的，与太阳能帆板性质无关。 6在众多种类中，刚性太阳能帆板是最常用的类型，这主要是因为它制造比较简单可靠。然而刚性基板的质量有时会很大，大功率的尤其如此。所以在1965年到1971年之间，虽然曾采取多种方式来减轻太阳能帆板的重量，但都以图 2.失败告终。直到在新材料和新工艺有较大突破后，这种太阳能帆板才重新得到重视。 43对于大功率要求来说，轻重量的柔性太阳能帆板就很有前途。但是其在收藏时不能提供功率，而且在装卸和试验期间很容易被破坏，它比刚性可展开的太阳能帆板复杂得多。 6【倾斜轨道航天器太阳帆板】为了获得较好的光照条件，我们国大多数的低轨长寿命航天器都采用太阳同步轨道。所以，对于太阳帆板对日跟踪的方法的探究对提高太阳能帆板的效率有很大的意义。前文提到根据其运动轴的不同太阳帆板分为两类，这两种不同的天器，太阳帆板的设计有很大区别，但是要得到最大的光照需要达到的条件却是一样的：1、太阳帆板的纵轴与太阳矢量的夹角尽可能的垂直；2、太阳矢量在垂直太阳帆板纵轴的平面尽可能为零。1. 惯性定向卫星：对于要实现对惯性系空间的某一目标的观察的航天器，可以通过优化设计飞行姿态策略来改善太阳能帆板的光照条件。因为太阳河观测目标的赤经、赤纬在地心赤道惯性系下近似不变，所以太阳矢量和星体坐标之间没有相对运动。如图3.首先将星体绕-Z b轴旋转=（为s 与X b轴的夹角），这样 Xb就与s 重合，于是 S落入X bOZb平面内。然后控制航天器旋转跟踪，使得太阳帆板正法线指向太阳，就可以达到上面提到的条件了，最大限度的获得光照。又由于太阳与观测目标间的夹角每日变化很小，只有1°，在捕捉到太阳后可以保持一段时间。 82. 对地定向卫星：与惯性定向情况不同，在对地定向的情况下，太阳矢量相对于星体的方位是不断变化的，如图4.。基于上面提到的两个条件，得到的解决办法有两个，分别是单轴BAPTA驱动机构加整星姿态机动和双轴图 3.BAPTA驱动机构。因为这其中有很复杂的理论推理，所以本文制作简单的子类型介绍1) 单轴BAPTA驱动机构加整星姿态机动：这个机构主要解决太阳矢量在垂直太阳帆板纵轴的平面内的投影与太阳帆板正法线之间的夹角,而太阳帆板纵轴与太阳矢量的夹角由姿态机动来解决,二者配合可以实现对日垂直跟踪。以下是2 种姿态机动方式：a) 偏航机动b) 固定偏执+卫星掉头2) 双轴BAPTA驱动机构。它通过两个自由度的转角完成太阳帆板对日定向。双轴太阳翼驱动机构主要由360°转角轴（A轴）、有限摆角轴（B轴） 和两轴连接框架及线束管理器组成。其中B轴摆动解决太阳翼纵轴与太阳矢量的夹角，A轴旋转解决太阳矢量在垂直太阳翼纵轴的平面内的投影与太阳翼正法线之间的夹角。以下是两种双轴驱动方案：a) A轴内B轴外b) A轴外B轴内以上两种方式有利有弊，在工程应用中需要根据实际情况进行选择。 8【太阳帆板撞击问题】太阳能帆板展开到位时, 运动机构之间会发生碰撞锁定。在撞击过程中撞击力的变化规律和撞击对卫星运动角速度对航天器的正常飞行有很大影响。 2在研究时，因为摇臂架和帆板具有质量轻和尺寸大的特点, 可以将各构件看作柔性体。一些学者对柔性体的撞击问题进行了研究。比如可将物体分为若干个子结构, 用固定界面主模态和模态坐标, 约束模态和模态坐标描述节点的变形, 就可以计算出刚性小球和柔性杆的纵向撞击力。 45【国外太阳帆板简介】欧洲的柔性卷式太阳帆板图 4.欧洲空间技术中心和德国宇航研究有限公司联合，与通用电气、无限电器材分公司研制了两种卷纸太阳帆板系统：ROSA和DORA。ROSA是指单敷层卷式太阳帆板，DORA值得是双敷层卷式太阳帆板。两种系统中都是用可伸展的双贮管式帆杠把卷在圆筒上的柔性敷层展开。 6美国为近太空飞艇开发新型太阳能电池技术美空军研究实验室（AFRL）一直在研究采用非晶硅和多晶体铜铟镓硒（CIGS）的薄膜太阳能电池技术。虽然这种电池不如更加新型的晶体硅多结太阳能电池有效，但其柔软和轻质的特点使之可以用于厚度只有千分之一英寸（约0.305mm）的聚合物上，玻璃之类较重的底层物目前被用于地面太阳能电池阵。AFRL认为，若将用于空间飞行器的薄膜太阳能电池阵贴在轻质支撑表面，那么与当前最新的晶体硅多结刚性支撑太阳能电池阵相比，其成本只有后者的20%，单位功率比后者高7倍，可装载体积比后者高10倍，并具有更好的抗辐射能力。而且新型薄膜阵在效费比和产品体积方面都更有优势。薄膜阵是在不使用易碎的晶体硅多结阵的情况下、能满足HAA能量需求的惟一途径。此外，其轻质特点还可降低对高空飞艇（HAA）升力的要求，因为其重量每增加1磅（0.4536kg），就需要HAA增加数百立方英尺的气体来提供升力。HAA的薄膜阵将与单片集成电路集成，并通过集成电路板而不是焊接工艺互连，将在提高输出功率和工作效率的同时减轻重量。目前的薄膜阵效率约为9.5%，HAA上使用的阵列大约也是这个水平，但AFRL希望能达到15%。目前，位于美国科罗拉多州戈尔登的美国国家可再生能源实验室（属美国能源部）已在小尺寸阵列上达到18%的效率水平，但在开发合适的制造工艺、以在更大的尺寸上保持效率方面备受困扰。现在的太阳能电池已在功率密度上取得了极大的进步。 7【展望】航天器太阳帆板作为航天器的一部分，必将随着航天的不断发展的到创新。当今世界各国对于航天事业的关注力越来越来，而航天事业的发展也成为各国在军事、经济上竞争方面，航天所担任的责任也就越来越大，对于技术上的要求也必将越来越多。怎么更好的适应航天器的特殊任务，对于航天器太阳帆板而言，也是今后的努力方向。同时，在其他各项科技蓬勃发展的今天，更多的结合其他先进科技，也是太阳帆板的必然趋势。比如新型材料的使用，能够使太阳帆板的特殊环境下工作，或者是可以让太阳帆板完成特殊的工作。根据前文提到的航天器太阳帆板的发展，也可看出其未来方向，材料，结构，柔韧性等等。参考文献:1http:/ccn.mofcom.gov.cn/spbg/show.php?id=9712.2009-09-152童靖宇.CAS T2000 卫星太阳电池阵基板原子氧防护技术研究. 1672 - 9242 (2008) 06 - 0072 04R. 北京卫星环境工程研究所.2008-10-20.3赵长江.航天器太阳电池阵分流技术研究. 167328748 (2009) 0320041207R.中国电子科技集团公司第十八研究所. 20092042234肖宁聪, 李彦锋, 黄洪钟.卫星太阳翼展开机构的可靠性分析方法研究.100021328 (2009) 0421704207R.电子科技大学机械电子工程学院. 20092012225刘锦阳,洪嘉振.卫星太阳能帆板的撞击问题J.宇航学报，2000年,第21卷第3期：34-38页.6 H. S. RAUSCHENBACH.Solar Cell Array Design HandbookM. New Yor