空間太陽(yáng)電池陣應(yīng)變規(guī)律研究

殷茂淑 楊廣 王訓(xùn)春 范斌 姜德鵬 楊洪東

(上?？臻g電源研究所,物理電源事業(yè)部,上海 200245)

空間太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星的唯一供電來(lái)源,其在軌服役期間所受的力學(xué)作用將直接影響衛(wèi)星的正常工作,因此研究空間太陽(yáng)電池陣的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律具有重要意義.本文自主研制了空間太陽(yáng)電池陣應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),該系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)空間太陽(yáng)電池陣在模擬真空熱循環(huán)溫度場(chǎng)環(huán)境下的應(yīng)變規(guī)律.研究結(jié)果表明,空間太陽(yáng)電池陣在高溫發(fā)生壓縮形變,低溫發(fā)生拉伸形變.相同測(cè)試條件自由電池和粘接電池最大應(yīng)變總量分別為1270 和1320 με.此外,空間太陽(yáng)電池片中心區(qū)域應(yīng)變值比邊緣區(qū)域高113%.空間太陽(yáng)電池片斷裂應(yīng)變值為2080 με.本研究為空間太陽(yáng)電池陣抗力學(xué)性能研究提供了技術(shù)支撐.

1 引言

衛(wèi)星探測(cè)器在人類科技進(jìn)步、探索外太空等科技發(fā)展中發(fā)揮著重要作用.太陽(yáng)電池陣是衛(wèi)星的唯一供電來(lái)源,對(duì)衛(wèi)星在軌開展科學(xué)研究至關(guān)重要[1?5].在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣面臨空間各種極為惡劣的力學(xué)環(huán)境[6],如低地球軌道每天近20 次由173—373 K的真空高低溫冷熱交變.而太陽(yáng)電池陣是由十幾種結(jié)構(gòu)膠接構(gòu)成的復(fù)合材料體,這對(duì)太陽(yáng)電池陣在極端環(huán)境下的抗力學(xué)性能提出了嚴(yán)格要求[7?13].由于空間太陽(yáng)電池片不具備可維護(hù)性,若在軌太陽(yáng)電池片發(fā)生機(jī)械碎裂情況極易引發(fā)衛(wèi)星功率輸出降低等問題[14].因此,研究空間太陽(yáng)電池陣在多應(yīng)力場(chǎng)條件下的應(yīng)力應(yīng)變問題迫在眉捷.

當(dāng)前,對(duì)空間太陽(yáng)電池陣各層膠接結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變問題的研究不斷深入[15?21].Wang 等[15]利用解析法研究了材料熱膨脹系數(shù)對(duì)溫度場(chǎng)中太陽(yáng)電池板最大應(yīng)力的影響,指出聚酰亞胺薄膜及與其相部的硅橡膠中存在最大應(yīng)力,選用較低熱膨脹系數(shù)的聚酰亞胺薄膜可顯著降低空間太陽(yáng)電池陣最大應(yīng)力值.Liu 等[16]以太陽(yáng)翼在軌運(yùn)行期間熱變形和熱應(yīng)力變化規(guī)律為研究對(duì)象,利用有限元建立電池翼熱變形模型,研究變工況太陽(yáng)電池翼在軌熱應(yīng)力和熱變形規(guī)律,研究發(fā)現(xiàn),空間太陽(yáng)電池翼基板制作時(shí)選用高導(dǎo)熱系數(shù)材料可有效減小熱變形量.Wang 等[17]利用MSC-Marc 軟件研究了熱循環(huán)條件下太陽(yáng)電池板單元結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力分布及演變規(guī)律,結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)在低溫保溫階段的最大正應(yīng)力及最大剪切應(yīng)力遠(yuǎn)大于高溫保溫階段的最大應(yīng)力,且太陽(yáng)電池板最大應(yīng)力值隨熱循環(huán)的增大而增大.

目前,對(duì)于空間太陽(yáng)電池陣應(yīng)力應(yīng)變的研究主要集中在理論及建模計(jì)算等方面[22?23],而對(duì)于空間太陽(yáng)電池陣在模擬空間熱循環(huán)溫度場(chǎng)作用下的實(shí)時(shí)應(yīng)變研究卻鮮有報(bào)道,這對(duì)科研人員在地面研究空間太陽(yáng)電池陣減應(yīng)力問題時(shí)缺少直接對(duì)比數(shù)據(jù).因此,本文通過(guò)構(gòu)建空間太陽(yáng)電池陣應(yīng)變傳感器測(cè)試方法,實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間太陽(yáng)電池陣在模擬真空熱循環(huán)溫度場(chǎng)作用下的應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),同時(shí)獲得了空間太陽(yáng)電池陣的應(yīng)變規(guī)律以及空間太陽(yáng)電池片的斷裂應(yīng)變值.本研究對(duì)提升空間太陽(yáng)電池陣的抗形變能力提供了重要參考依據(jù).

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

2.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)樣品為上?？臻g電源研究所研制的光電轉(zhuǎn)化效率為30%空間用砷化鎵太陽(yáng)電池.選用電池尺寸為40.3 mm×60 mm×0.27 mm.

選用電池的表面使用硅橡膠粘貼抗輻照玻璃蓋片.空間太陽(yáng)電池通過(guò)硅橡膠粘貼在碳纖維鋁蜂窩基板上.

2.2 熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn)

熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn)使用上?？臻g電源研究所KM1 熱真空試驗(yàn)系統(tǒng).真空度設(shè)置為 <1.0×10–3Pa,熱真空循環(huán)溫度范圍148—408 K,循環(huán)周期1.5 周,高溫和低溫段各保溫120 min.

2.3 應(yīng)變測(cè)試

應(yīng)變測(cè)試使用江蘇東華測(cè)試公司DH3820 高速靜態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集儀.

選用的應(yīng)變傳感器為中航電測(cè)BAB250 系列高溫應(yīng)變片.選用的膠黏劑為B-711 中航電測(cè)常溫固化耐高溫貼片膠.

2.4 應(yīng)變傳感器原理

應(yīng)變數(shù)據(jù)采集是基于測(cè)量物體受力變形產(chǎn)生應(yīng)變,利用應(yīng)變傳感器將形變信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化.通常是將應(yīng)變傳感器粘合在基體上,當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí),應(yīng)變傳感器也一起產(chǎn)生形變,使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變,之后將信號(hào)傳輸給處理電路顯示.基體發(fā)生膨脹時(shí),粘貼在其表面的應(yīng)變傳感器隨之發(fā)生拉伸形變,可采集到正向應(yīng)變數(shù)據(jù);基體發(fā)生收縮時(shí),應(yīng)變傳感器發(fā)生壓縮形變,可采集到負(fù)向應(yīng)變數(shù)據(jù).

應(yīng)變傳感器的主體部分由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等組成,如圖1(a)所示.自主研制的空間太陽(yáng)電池陣應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)由熱真空試驗(yàn)系統(tǒng)、太陽(yáng)模擬燈陣、罐內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、應(yīng)變傳感器、空間太陽(yáng)電池陣、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成,如圖1(b)所示.

圖1 (a) 應(yīng)變傳感器的基本構(gòu)造;(b)空間太陽(yáng)電池陣應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)組成Fig.1.(a) Basic structure of a strain sensor;(b) composition of space solar array strain test system.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 不同粘接狀態(tài)太陽(yáng)電池應(yīng)變分析

應(yīng)變傳感器粘貼示意如圖2(a)所示.熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn)全程應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)信號(hào)采集電路連接方式如圖2(b)所示,粘貼在太陽(yáng)電池片上的應(yīng)變傳感器引出線與空間級(jí)導(dǎo)線焊接;焊接完成后所有應(yīng)變傳感器信號(hào)匯總到熱真空罐內(nèi)電連接器,該電連接器經(jīng)罐壁上的轉(zhuǎn)接電纜與罐外電纜連接,罐外電纜與應(yīng)變采集器相連,采集器對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理,通過(guò)計(jì)算機(jī)上安裝的軟件輸出應(yīng)變曲線.

圖2 (a)電池粘貼應(yīng)變傳感器示意圖;(b)應(yīng)變信號(hào)采集線路連接示意圖;(c)熱真空實(shí)驗(yàn)溫度曲線;(d)空間太陽(yáng)電池?zé)嵴婵諏?shí)驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù),黑色為粘接在太陽(yáng)翼基板上電池應(yīng)變數(shù)據(jù),紅色為未粘接自由狀態(tài)電池應(yīng)變數(shù)據(jù)Fig.2.(a) Schematic diagram of strain sensor pasted on a space solar cell;(b) schematic diagram for strain signal collection circuit;(c) temperature curve of thermal vacuum test;(d) strain curves of space solar cell during thermal vacuum test.The black line is strain data for solar cells bonded on the substrate,and the red one for free solar cells not bonded on substrate.

對(duì)兩類粘接狀態(tài)的空間太陽(yáng)電池進(jìn)行了應(yīng)變采集.兩類電池分別為粘接在太陽(yáng)翼基板上的太陽(yáng)電池(簡(jiǎn)稱為粘接電池)以及未粘接固定的自由狀態(tài)太陽(yáng)電池(簡(jiǎn)稱為自由電池).在模擬空間熱真空環(huán)境下,將兩類粘接狀態(tài)的空間太陽(yáng)電池隨環(huán)境熱應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生的應(yīng)變情況進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè)和對(duì)比.

結(jié)合圖2(c)熱真空實(shí)驗(yàn)溫度曲線和圖2(d)空間太陽(yáng)電池?zé)嵴婵諏?shí)驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù),將本次熱真空實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)化分為5 個(gè)階段,分別為抽真空段(I)、升溫段(II)、降溫段(III)、升溫段(IV)和隨爐冷卻段(V).抽真空段(I),兩類粘接狀態(tài)電池迅速由0 降至–200 με 后穩(wěn)定在–35 με.這是由于罐內(nèi)氣壓的迅速變化,太陽(yáng)電池陣中膠粘劑內(nèi)的殘留氣體被抽走,應(yīng)變傳感器采集到了變化明顯的壓縮形變;當(dāng)真空罐內(nèi)氣壓逐漸減小至10–2—10–3Pa 時(shí),氣壓變化緩慢,應(yīng)變數(shù)據(jù)較為平穩(wěn).升溫段(II),當(dāng)罐內(nèi)溫度由298 K 開始升高時(shí),應(yīng)變值隨溫度升高發(fā)生負(fù)向增大,到達(dá)高溫408 K 時(shí),兩類粘接狀態(tài)電池發(fā)生了450 με 壓縮形變.這是由電池各層熱膨脹系數(shù)差異所致,頂層抗輻照玻璃蓋片的熱膨脹系數(shù)(5.5×10–7K–1)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于底部的蓋片膠(2.0×10–4K–1)、鍺襯底(6.0×10–6K–1)、以及金屬電極層(1.8×10–5K–1)的熱膨脹系數(shù),因此升溫段能監(jiān)測(cè)到明顯的壓縮形變.當(dāng)溫度由408 K降低時(shí),兩類電池發(fā)生拉伸形變,見降溫段(III).在408—330 K 段平均溫度變化速率為2.2 K/min,電池形變速率大于6.5 με/min.從243—148 K,電池形變速率隨溫度緩慢降低.至148 K 時(shí),拉伸形變達(dá)到最大值,粘接電池應(yīng)變量為870 με,自由電池應(yīng)變量為820 με.根據(jù)Ⅲ段應(yīng)變值變化趨勢(shì),粘接電池的應(yīng)變量比自由電池高90—120 με,這極有可能跟粘接電池與鋁蜂窩基板的底片膠在低溫下變脆變硬有關(guān).

在升溫段(IV),溫度由148 K 快速升至408 K,平均溫度變化速率2.6 K/min,兩類電池均發(fā)生870—920 με 的收縮應(yīng)變,該變化原因同升溫段(II).將低溫段與高溫段最大應(yīng)變絕對(duì)值相加,得到實(shí)驗(yàn)全周期兩類電池發(fā)生的最大應(yīng)變總量,自由電池為1270 με,粘接電池為1320 με.第3010 min,熱真空罐停止加熱,進(jìn)入隨爐冷卻段(V),兩類電池隨溫度降低發(fā)生緩慢拉伸形變.由曲線可知,至出罐時(shí)自由電池和粘接電池分別發(fā)生了194 με 和322 με 的拉伸凈應(yīng)變.

對(duì)熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn)前后太陽(yáng)電池的光電性能進(jìn)行了測(cè)試,如圖3(a)所示.熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn)后太陽(yáng)電池的IV 曲線與實(shí)驗(yàn)前基本重合,空間太陽(yáng)電池陣未發(fā)生力學(xué)破壞時(shí),電池的電性能不發(fā)生改變.通過(guò)熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn),得到兩類空間太陽(yáng)電池片在真空溫度場(chǎng)下的應(yīng)變規(guī)律,如圖3(b)所示.空間太陽(yáng)電池在高溫發(fā)生壓縮形變,低溫發(fā)生拉伸形變,形變速率與溫變速率成正比.從進(jìn)罐至出罐,自由電池和粘接電池分別發(fā)生194 με 和322 με的拉伸凈應(yīng)變.將低溫段與高溫段最大應(yīng)變絕對(duì)值相加,得到實(shí)驗(yàn)全周期兩類電池最大形變總量,自由電池和粘接電池分別為1270 με 和1320 με.

圖3 (a) 熱真空循環(huán)實(shí)驗(yàn)前后空間太陽(yáng)電池的IV 曲線;(b) 兩類空間太陽(yáng)電池陣應(yīng)變規(guī)律總結(jié)Fig.3.(a) IV curves of space solar cell before and after thermal vacuum test;(b) strain summary of free and pasted space solar cells.

3.2 不同太陽(yáng)電池區(qū)域應(yīng)變分析

本小節(jié)研究同片電池不同區(qū)域在真空熱循環(huán)溫度場(chǎng)下應(yīng)變規(guī)律.將一片太陽(yáng)電池分為電池中心區(qū)域和圍繞電池中心的邊緣區(qū)域.在這兩個(gè)區(qū)域各粘貼一片應(yīng)變傳感器采集數(shù)據(jù),如圖4(a)所示.將電池置于熱真空環(huán)境中開展1.5 循環(huán)實(shí)驗(yàn)(圖4(b)),應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)如圖4(c)所示.

圖4 (a) 同片電池粘貼應(yīng)變傳感器的示意圖;(b) 熱真空實(shí)驗(yàn)溫度曲線;(c) 同片空間太陽(yáng)電池不同位置熱真空實(shí)驗(yàn)應(yīng)變數(shù)據(jù),紅色為太陽(yáng)電池中心區(qū)域應(yīng)變數(shù)據(jù),黑色為太陽(yáng)電池邊緣區(qū)域應(yīng)變數(shù)據(jù);(d) 同片空間太陽(yáng)電池片應(yīng)變規(guī)律總結(jié)Fig.4.(a) Schematic diagram of strain sensors pasted on one space solar cell;(b) temperature curve of thermal vacuum test;(c) strain curves test from different area in one space solar cell during thermal vacuum test,where the red line is strain data from the middle area of the solar cell,and the black one from the edge area of the solar cell;(d) strain summary of one space solar cell.

電池中心區(qū)域應(yīng)變值如圖4(c)中紅色曲線所示,其變化規(guī)律與圖2(d)中電池形變規(guī)律基本一致,即高溫發(fā)生壓縮應(yīng)變,低溫發(fā)生拉伸應(yīng)變.在高溫408 K 最大應(yīng)變值為–345 με,在低溫148 K最大應(yīng)變值為910 με,實(shí)驗(yàn)全程最大應(yīng)變總量為1255 με.全周期至出罐發(fā)生245 με 拉伸應(yīng)變.

同片電池的邊緣區(qū)域形變?nèi)鐖D4(c)中黑色曲線所示.在升溫段(Ⅱ),邊緣區(qū)域發(fā)生先拉伸后壓縮的形變,這可能與多層結(jié)構(gòu)形變的綜合作用有關(guān).在降溫段(Ⅲ),最大應(yīng)變量為400 με,為中心區(qū)域形變值的一半.在隨爐冷卻(V)過(guò)程,2210 min之前邊緣區(qū)域發(fā)生較快壓縮形變,2210 min 之后應(yīng)變變化緩慢,至出罐時(shí)應(yīng)變量為–115 με,其原因可能是太陽(yáng)電池陣多種材料熱膨脹系數(shù)差異以及起主導(dǎo)作用的因素不同所致.盡管目前尚無(wú)法精確測(cè)出每層材料在真空溫度場(chǎng)下的應(yīng)變變化值,但通過(guò)地面實(shí)測(cè)以及理論推導(dǎo)分析,可有效地得出空間太陽(yáng)電池陣應(yīng)變規(guī)律并針對(duì)性采取減應(yīng)力措施.

空間太陽(yáng)電池片中心及邊緣區(qū)域在真空溫度場(chǎng)下的應(yīng)變規(guī)律總結(jié)如圖4(d)所示,同片電池中心區(qū)域發(fā)生了245 με 的拉伸凈應(yīng)變,邊緣區(qū)域發(fā)生了–115 με 的壓縮凈應(yīng)變.將低溫段與高溫段的最大應(yīng)變值相加,得到同片電池中心區(qū)域與邊緣區(qū)域的最大應(yīng)變總量分別為1255 με 和590 με.中心區(qū)域的應(yīng)變量比邊緣區(qū)高113%.

3.3 空間太陽(yáng)電池?cái)嗔褢?yīng)變分析

3.1 和3.2 節(jié)對(duì)電池在真空溫度場(chǎng)下的應(yīng)變值進(jìn)行了全程監(jiān)測(cè),測(cè)得高低溫條件下的應(yīng)變總量.本小節(jié)對(duì)空間太陽(yáng)電池的斷裂應(yīng)變值定量測(cè)試.使用空間太陽(yáng)電池彎曲工裝進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如圖5(a)和圖5(b)所示,將兩塊彎曲半徑相同的凹凸組合模塊可構(gòu)成一組彎曲半徑.在空間太陽(yáng)電池表面粘貼應(yīng)變傳感器,將電池依次放入彎曲半徑由大到小的工裝中進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn),直到電池發(fā)生斷裂為止.使用應(yīng)變傳感器采集全過(guò)程的應(yīng)變值,得到電池在每個(gè)彎曲半徑下的應(yīng)變值.獲得最小彎曲半徑的同時(shí),得到太陽(yáng)電池在最小彎曲半徑下斷裂應(yīng)變值.

使用應(yīng)變傳感器連續(xù)記錄了5 組彎曲半徑(依次為15 cm,12.5 cm,10 cm,7.5 cm,5 cm)下電池的應(yīng)變值(圖5(c)).測(cè)試過(guò)程只有在放入凹凸組合模塊時(shí)電池會(huì)發(fā)生明顯的應(yīng)變變化,在移動(dòng)及轉(zhuǎn)移組合塊的過(guò)程均不會(huì)使電池發(fā)生明顯的形變,即每次進(jìn)行彎曲測(cè)試之前電池的初始應(yīng)變值均可以認(rèn)為是0 με,這就避免了引入其他應(yīng)變的可能.由圖5(c)可知電池的彎曲半徑由15 cm 逐漸減小至7.5 cm 時(shí),應(yīng)變值由810 με 增大至1550 με.電池在彎曲半徑為5 cm 時(shí)發(fā)生了斷裂,測(cè)試該條件下的應(yīng)變值2080 με,即為電池彎曲碎裂的應(yīng)變值,如圖5(d)所示.

圖5 (a) 彎曲實(shí)驗(yàn)工裝凸槽;(b)彎曲實(shí)驗(yàn)工裝凹槽;(c)太陽(yáng)電池?cái)嗔褢?yīng)變數(shù)據(jù)曲線;(d)空間太陽(yáng)電池?cái)嗔褜?shí)物圖Fig.5.(a) Convex equipment for bending test;(b) concave equipment for bending test;(c) rupturing strain curve of space solar cell;(d) picture of a ruptured space solar cell.

表1 統(tǒng)計(jì)了不同彎曲半徑條件下電池應(yīng)變值.將斷裂前應(yīng)變值對(duì)彎曲半徑作圖,得到彎曲半徑-應(yīng)變散點(diǎn)圖(見圖6).將數(shù)據(jù)線性擬合得到斜率為–88.9 的擬合直線.由擬合數(shù)據(jù)可得電池未發(fā)生斷裂時(shí),電池的彎曲半徑與應(yīng)變值呈線性變化趨勢(shì),這符合彈性變形階斷應(yīng)力應(yīng)變呈線性變化的規(guī)律.彎曲半徑5 cm 時(shí)斷裂應(yīng)變值2080 με 遠(yuǎn)大于線性外推得出的應(yīng)變值.實(shí)驗(yàn)得出空間太陽(yáng)電池在受到外力時(shí),發(fā)生彎曲斷裂的應(yīng)變值為2080 με.

圖6 不同彎曲半徑下電池應(yīng)變值擬合曲線Fig.6.Strain data fitting curve of space solar cell under different bending radius.

表1 不同彎曲半徑條件下電池應(yīng)變值Table 1.Strain data of space solar cell under different bending radius conditions.

4 結(jié)論

本文通過(guò)建立應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)空間太陽(yáng)電池陣在模擬空間真空熱循環(huán)溫度場(chǎng)作用下的應(yīng)變實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).使用該測(cè)試手段對(duì)不同粘接狀態(tài)電池、同片電池中心區(qū)域和邊緣區(qū)域的應(yīng)變情況進(jìn)行了測(cè)試分析.研究結(jié)果如下:1)電池在高溫發(fā)生壓縮形變,低溫發(fā)生拉伸形變,且形變速率與溫變速率成正比.2)相同條件下,自由電池的最大應(yīng)變總量為1270 με,粘接電池的最大應(yīng)變總量為1320 με,同片電池中心區(qū)域比邊緣區(qū)域應(yīng)變值高113%.3)空間太陽(yáng)電池片的斷裂應(yīng)變值為2080 με.該研究結(jié)果對(duì)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣在空間極端環(huán)境下的應(yīng)變規(guī)律給出了參考,對(duì)太陽(yáng)電池陣在研制過(guò)程中采取減應(yīng)力措施具有重要指導(dǎo)意義.