衛(wèi)星卷繞式柔性太陽電池陣關(guān)鍵技術(shù)研究

張偉，蘭志成，吳致丞

（中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384）

0 引言

隨著航天任務(wù)的逐漸增多，低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)快速發(fā)展。衛(wèi)星通信將在6G 通信中承擔(dān)重要角色[1-4]，并發(fā)揮重要作用，通過衛(wèi)星通信與地面網(wǎng)絡(luò)的融合，達(dá)到全球全域的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋目標(biāo)，需要發(fā)射大批量的衛(wèi)星星座來實(shí)現(xiàn)天基的6G 通信。

整星負(fù)載的提高對太陽翼功率的需求越來越大，同時(shí)要求太陽翼具有更輕的質(zhì)量、更小的體積以適應(yīng)低軌衛(wèi)星大批量發(fā)射部署的任務(wù)特點(diǎn)。雖然傳統(tǒng)剛性/半剛性太陽陣仍是目前應(yīng)用最為廣泛的形式，但是其體積重量會(huì)隨著航天器載荷所需功率的增加也成正比地快速增長，較難滿足未來星座建設(shè)“一箭多星”對于衛(wèi)星太陽陣高質(zhì)量比功率及體積比功率需求[5]。針對未來大功率航天器發(fā)展需求，輕量化的柔性太陽電池陣具有較大優(yōu)勢。

按照展開方式，空間柔性太陽電池陣可以大體分為3種，分別為：手風(fēng)琴式、扇形式以及卷繞式[6]，均采用柔性薄膜材料作為太陽陣基板。手風(fēng)琴式以“Z”形折疊的方式收攏，典型型號有國際空間站以及洛克希德·馬丁公司的LM2100 衛(wèi)星平臺(tái)太陽陣。扇形展開式太陽陣展開后類似于古代的圓形折扇，太陽陣由多個(gè)三角形太陽電池毯組成，組合在一起后形成一個(gè)接近于圓形的多邊形。扇形太陽電池陣已經(jīng)在毅力號火星車、獵戶座、露西號等多個(gè)衛(wèi)星和航天器應(yīng)用。相比于手風(fēng)琴式和扇形展開式，卷繞式收攏式太陽陣（Roll-out Solar Array，ROSA）可利用薄壁伸展桿儲(chǔ)存的應(yīng)變能實(shí)現(xiàn)在軌展開，從而無需鉸鏈、展開驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并且收攏體積較小，是未來太陽電池陣的重要發(fā)展方向。

1 卷繞式柔性太陽電池陣研制進(jìn)展

美國DSS（Deployable Space Systems）公司研發(fā)了一種新型的卷繞式柔性太陽電池陣——ROSA，整體結(jié)構(gòu)類似于我國古代的卷軸畫卷，展開后為矩形結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。ROSA 主要由與衛(wèi)星連接結(jié)構(gòu)部分、C 形薄壁式碳纖維伸展桿、太陽電池陣、收攏桿四部分組成，在發(fā)射階段碳纖維桿、太陽電池陣卷繞在收攏桿上，收攏體積小節(jié)省火箭空間；太陽翼展開時(shí)，碳纖維桿伸展開，將卷繞的太陽電池陣撐開，形成圖1 所示的太陽電池翼結(jié)構(gòu)，為衛(wèi)星提供電能。國外研究中，從原理樣機(jī)到空間應(yīng)用，經(jīng)歷了十余年的時(shí)間，產(chǎn)品逐漸走向成熟。

圖1 ROSA 樣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 工程樣機(jī)研制

2014 年7月，DSS公司完成了20 kW ROSA工程研制模型的研制和全部試驗(yàn)，樣機(jī)尺寸為6.3 m×13.6 m，結(jié)構(gòu)如圖2 所示，面積約為85 m2，采用水平滾動(dòng)的展開方式。研制的樣機(jī)是一種整翼模塊化的太陽電池陣，采用彈性自展開復(fù)合材料桿驅(qū)動(dòng)太陽毯滾卷展開，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。該方案在收納比、質(zhì)量比功率指標(biāo)方面具有明顯優(yōu)勢。

圖2 ROSA 樣機(jī)在軌驗(yàn)證圖

2017 年6 月3 日NASA 發(fā)射了ROSA實(shí)驗(yàn)機(jī)，由SpaceX 獵鷹9 號商業(yè)補(bǔ)給服務(wù)發(fā)射到國際空間站，對卷繞式太陽電池陣進(jìn)行了在軌飛行試驗(yàn)，通過龍飛船將一個(gè)尺寸為1.67 m×5.4 m 的ROSA 樣機(jī)發(fā)射至國際空間站，在軌進(jìn)行了展開、收攏試驗(yàn)，測試展開基頻等，并在軌測試了Spectrolab、Solaero 以及Northrup Grumman 三家公司生產(chǎn)的太陽電池產(chǎn)品，成功驗(yàn)證了展開機(jī)構(gòu)以及電池電路等在軌功能[7-8]。

1.2 在軌應(yīng)用

2021 年6 月20日，國際空間站上其中一副新太陽翼-ROSA 安裝并在軌展開，該太陽翼完全覆蓋在原有太陽翼陣列上。空間站ROSA 地面收攏狀態(tài)如圖3 所示，展開后太陽陣的尺寸約為6×19 m2。其采用了內(nèi)徑約為45 cm 的卷筒，外徑約75 cm。太陽陣的質(zhì)量比功率約100～120 W/kg，體積比功率≥12 kW/m3。每個(gè)太陽陣在軌壽命末期輸出功率約20 kW。NASA 計(jì)劃采用6 個(gè)這樣的柔性太陽電池陣用于替代現(xiàn)有太陽陣，目前已經(jīng)完成2 個(gè)太陽陣的安裝。

圖3 國際空間站ROSA

2021 年11 月美國發(fā)射了雙小行星重定向測試（Double Asteriod Redirection Test，DART）衛(wèi)星，DART 是由NASA指導(dǎo)，約翰斯-霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室開展的全球第一個(gè)行星防御任務(wù)，該系統(tǒng)將通過使用航天器撞擊小行星的形式來保護(hù)地球。DART 飛行器采用了一對ROSA 作為發(fā)電系統(tǒng)，單翼太陽陣尺寸約為1.45 m×8.6 m，如圖4 所示，壽命初期輸出功率大于6.6 kW，據(jù)測算，其太陽陣質(zhì)量體積比功率＞25 kW/m3。

ROSA 的質(zhì)量比功率和體積比功率和整機(jī)的設(shè)計(jì)與總功率相關(guān)，其最大質(zhì)量比功率可達(dá)200 W/kg 以上，體積比功率可達(dá)40 kW/m3以上。由于ROSA 在重量和收納體積方面的巨大優(yōu)勢，越來越多的航天任務(wù)計(jì)劃采用此種類型的太陽電池陣，比較典型的有美國載人登月計(jì)劃-Gateway PPE（Power and Propulsion Element）項(xiàng)目、商業(yè)高軌衛(wèi)星等。

1.3 國內(nèi)卷繞式柔性太陽電池陣研制進(jìn)展

中國電科十八所在柔性太陽電池陣的研制方面具有一定的研制基礎(chǔ)。在某科學(xué)衛(wèi)星型號上，設(shè)計(jì)研制了采用柔性薄膜電池、柔性基板和柔性封裝的卷繞式全柔性太陽電池陣，最小可卷繞半徑約5 cm，如圖5 所示。太陽陣質(zhì)量比功率達(dá)230 W/kg，體積比功率達(dá)26 kW/m3以上，指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平。太陽陣設(shè)計(jì)狀態(tài)可滿足低軌道（600 km）6 個(gè)月使用壽命。目前，已經(jīng)完成了地面試驗(yàn)驗(yàn)證，待命發(fā)射。

圖5 某科學(xué)衛(wèi)星全柔性太陽翼展開狀態(tài)（上）及收攏狀態(tài)（下）

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 柔性功率傳輸技術(shù)

剛性太陽電池陣通過圓導(dǎo)線在基板背面對太陽電池陣的每個(gè)組件進(jìn)行匯流，由于在收攏狀態(tài)下不同板之間有較大間距，多條導(dǎo)線綁扎在一起后不影響整個(gè)太陽陣的收攏壓緊。而對于卷繞式柔性太陽電池陣，太陽毯在收攏狀態(tài)下時(shí)，層與層之間緊密壓緊，如圖6 所示，傳統(tǒng)導(dǎo)線及其綁扎固定方式將不再適用。

DART 衛(wèi)星采用了新型扁平化柔性電纜，實(shí)現(xiàn)不同柔性太陽電池組件之間的電能量傳輸與匯流，如圖6 所示。太陽陣一端與星體連接，對于卷繞式柔性太陽電池陣的匯流，靠近星體一端流過的電流較大，而遠(yuǎn)離星體的外邊緣電流較小。在柔性電纜的研制過程中，在滿足電功率傳輸?shù)那闆r下，需綜合考慮電纜扁平化、可卷繞以及電纜位置間的關(guān)系，做針對性設(shè)計(jì)。

圖6 扁平化柔性電纜

2.2 模塊化柔性太陽電池組件技術(shù)

在空間太陽電池陣列中，制造成本最高、耗時(shí)最長的組件為太陽電池組件，包括：光伏太陽電池、太陽電池的電連接、在太陽電池正面的防護(hù)玻璃蓋片。將單個(gè)太陽電池片通過互連片連接形成電路或電池串，通過粘合工藝將該電路固定到基板上，從而形成模塊化太陽電池組件。柔性毯組件由獨(dú)立但相同的多個(gè)模塊化組件組成，如圖7 所示。在批量生產(chǎn)過程中，模塊化組件的實(shí)施使得柔性電池毯能夠以非常低的成本進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，并且在集成和測試活動(dòng)期間能夠快速組裝或更換。

圖7 模塊化太陽電池組件

在模塊化組件制作過程中，需實(shí)現(xiàn)太陽電池串在“首尾”片上的匯流及高可靠焊接。需對柔性組件的基板進(jìn)行合理化設(shè)計(jì)，電池串之間的匯流材料內(nèi)嵌于柔性基板中，需解決多層基板的空間大范圍溫度交變環(huán)境適應(yīng)性問題。對內(nèi)嵌于柔性基板內(nèi)的匯流材料進(jìn)行綜合考慮設(shè)計(jì)，使其既與柔性基板有較穩(wěn)定的物理連接，又要保證電池串與匯流材料之間能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電連接。

2.3 柔性基板技術(shù)

ROSA 采用了新型網(wǎng)格式基板，具有高強(qiáng)度、超輕、超薄的特點(diǎn)。采用玻璃纖維材質(zhì)，基板厚度約50 μm。具備多個(gè)交叉股線組成的開放網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，簡而言之，是一個(gè)不連續(xù)的張力承載網(wǎng)，如圖6 所示。多個(gè)分立的薄型緊固件通過粘接的方式將網(wǎng)格基板和模塊化組件固定在一起。

緊固件可以很容易地連接或斷開連接，以快速組裝或從背板上移除模塊化組件。電氣控制沿著背板的背面布線，并連接至模塊化組件正面或背面的裸露電路端。將制造柔性毯式太陽電池陣列組件的生產(chǎn)時(shí)間從幾個(gè)月減少到幾天，并提供了重量輕、功率范圍寬、可靠性高、收納比高、可卷曲、熱穩(wěn)定性高等特性。

2.4 柔性展開機(jī)構(gòu)技術(shù)

國際空間站ROSA 采用薄壁式伸展桿作為展開結(jié)構(gòu)，其無鉸鏈?zhǔn)娇臻g可展薄壁結(jié)構(gòu)是近年來國際上新研制的可自展開機(jī)構(gòu)，在收攏狀態(tài)下自然卷繞成圓環(huán)狀，儲(chǔ)存應(yīng)變能。在軌狀態(tài)時(shí)，利用存儲(chǔ)的應(yīng)變能驅(qū)動(dòng)太陽陣在軌展開，展開后結(jié)構(gòu)變?yōu)殚_口較小的“C”形，具備較大剛度，如圖8 所示，具有質(zhì)量輕、收攏體積小、無需鉸鏈等優(yōu)勢。C 形桿通常采用碳纖維復(fù)合材料制作而成，相比于剛性太陽陣及展開機(jī)構(gòu)，具備許多優(yōu)點(diǎn)，但與整個(gè)柔性太陽電池毯連接后，展開過程中存在易松脫，且展開態(tài)下剛度相對弱、基頻低等問題，制約著該類結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用。

圖8 C 形薄壁式伸展桿卷繞及展開狀態(tài)圖[9]

作為ROSA 展開機(jī)構(gòu)中最重要構(gòu)件和最關(guān)鍵組成部分，在C 形桿及其附屬機(jī)構(gòu)研制及設(shè)計(jì)過程中，需解決雙臂同步、有序展開過程。采用的C 形桿應(yīng)具備可精確控制的特性。在柔性太陽電池電路的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮伸展桿展開過程不同位置所需展開驅(qū)動(dòng)力差異，以及桿的根部及端部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度差異，從而對薄壁伸展桿做系統(tǒng)設(shè)計(jì)。滿足伸展桿不同位置結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，做到多層卷繞結(jié)構(gòu)自外而內(nèi)，雙臂有序緩慢展開。

2.5 關(guān)鍵技術(shù)總結(jié)

國外開展ROSA 卷繞式太陽電池陣研究已逾10年，在多顆衛(wèi)星和航天器上實(shí)現(xiàn)了在軌應(yīng)用。針對ROSA 的研發(fā)，我國急需突破多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。例如，柔性功率傳輸需突破在軌高可靠扁平化電纜制備與卷繞式布線設(shè)計(jì)技術(shù)；模塊化組件需突破高熱交變壽命的柔性太陽電池組件設(shè)計(jì)技術(shù)；柔性基板需突破輕重量、大尺寸、高可靠、高收納比、可卷曲、高熱穩(wěn)定性的柔性基板制備技術(shù)；柔性展開機(jī)構(gòu)技術(shù)需突破雙臂同步、有序展開的高穩(wěn)定C 形碳纖維伸展桿設(shè)計(jì)及制備技術(shù)。

3 結(jié)論

卷繞式柔性太陽電池陣具有質(zhì)量比功率高、收納比高、易擴(kuò)展、可批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，成為6G 衛(wèi)星星座較理想的太陽電池陣方案。本文介紹了卷繞式太陽電池陣的發(fā)展歷史，分析了研制過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)，包括柔性功率傳輸技術(shù)、模塊化組件技術(shù)、柔性基板技術(shù)、柔性展開機(jī)構(gòu)技術(shù)等。對卷繞式太陽電池陣的研制及未來6G 衛(wèi)星星座太陽電池陣選型具有借鑒意義。