太陽(yáng)電池陣基板在熱真空試驗(yàn)中微弱熱變形測(cè)量試驗(yàn)研究

摘" 要：該文主要內(nèi)容研究的是在真空冷黑環(huán)境下，通過(guò)空間外熱流模擬的方式結(jié)合數(shù)字化攝影測(cè)量的手段對(duì)太陽(yáng)電池陣基板的微弱變形量進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)研究。試驗(yàn)方案中采用非接觸式紅外燈陣模擬空間外熱流的方式，同時(shí)使用空間環(huán)境模擬設(shè)備建立試驗(yàn)所需的真空冷黑環(huán)境，對(duì)太陽(yáng)電池陣基板進(jìn)行熱流的施加，試驗(yàn)過(guò)程中采用數(shù)字化攝影測(cè)量對(duì)不同外熱流作用下造成的太陽(yáng)電池陣基板的微弱熱變形進(jìn)行測(cè)量。試驗(yàn)結(jié)果表明，在紅外燈陣輻射熱流的作用下，太陽(yáng)電池陣基板2 m×1.44 m范圍內(nèi)的熱變形測(cè)量精度優(yōu)于0.05 mm，該指標(biāo)可以滿足測(cè)量精度要求，光學(xué)攝影測(cè)量方法可作為測(cè)量太陽(yáng)電池陣基板在熱真空試驗(yàn)過(guò)程中微弱變形的測(cè)量方法，并且試驗(yàn)驗(yàn)證該方法有效，解決熱真空試驗(yàn)過(guò)程中太陽(yáng)電池陣基板熱變形測(cè)量的問(wèn)題，為后續(xù)電池陣表面設(shè)計(jì)蓋片及蓋片之間銀連片設(shè)計(jì)提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：熱真空試驗(yàn)；太陽(yáng)電池陣基板；數(shù)字化攝影測(cè)量；微弱熱變形測(cè)量；外熱流模擬；紅外燈陣設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：V442" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）01-0062-04

Abstract： The main content of this paper is to test and study the weak deformation of solar cell array substrates through external heat flow simulation combined with digital photogrammetry in a vacuum cold black environment. In the test plan， a non-contact infrared lamp array was used to simulate external heat flow in space. At the same time， space environment simulation equipment was used to establish the vacuum cold black environment required for the test， and heat flow was applied to the solar cell array substrate. During the test， digital photogrammetry measures the weak thermal deformation of the solar cell array substrate caused by different external heat flows. The test results show that under the action of the radiant heat flow of the infrared lamp array， the measurement accuracy of thermal deformation of the solar cell array substrate within the range of 2 m×1.44 m is better than 0.05 mm， which can meet the measurement accuracy requirements. The optical photogrammetry method can be used as a measurement method to measure the weak deformation of the solar cell array substrate during the thermal vacuum test. The test has verified that the method is effective， solving the problem of measuring the thermal deformation of the solar cell array substrate during the thermal vacuum test. It provides experimental data support for subsequent battery array surface design of the cover sheet and the design of silver connecting strips between the cover sheets.

Keywords： thermal vacuum test; solar array substrate; digital photogrammetry; weak thermal deformation measurement; external heat flow simulation; infrared lamp array design

航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，如太陽(yáng)電池陣基板、SAR天線、光學(xué)系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在軌運(yùn)行時(shí)需要保證高度的穩(wěn)定性。但是，空間環(huán)境非常復(fù)雜，航天器一方面面臨著外太空低于4 K的冷黑環(huán)境的輻射，另一方面又面臨著太陽(yáng)的光照、地球紅外輻射、地球反射等外熱流的綜合作用，隨著航天器繞著地球在做周期性的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，航天器上不同部位的儀器產(chǎn)品也周期性地接受熱流輻照的變化，這個(gè)過(guò)程導(dǎo)致航天器結(jié)構(gòu)自身會(huì)產(chǎn)生一定的溫度梯度，從而引起結(jié)構(gòu)的微弱變形，結(jié)構(gòu)的微弱變形對(duì)于航天器上一些較為精密的儀器指向、定標(biāo)結(jié)果將會(huì)產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的后果。為了提前獲取這些數(shù)據(jù)，必須在地面階段進(jìn)行充分有效的試驗(yàn)，首先要進(jìn)行空間外熱流及冷黑背景的模擬，其次要找到合適的測(cè)量方法用于真空環(huán)境下微弱熱變形的測(cè)量[1-2]。

本文針對(duì)太陽(yáng)電池陣基板在空間外熱流變化的情況下，材料內(nèi)部形成的較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致粘貼在基板表面蓋片的碎裂或相鄰蓋片之間銀連片的斷裂問(wèn)題，進(jìn)行微弱變形量測(cè)量方法的試驗(yàn)研究。下面對(duì)本文采用的微弱變形測(cè)量方案、試驗(yàn)系統(tǒng)建立、試驗(yàn)過(guò)程結(jié)果數(shù)據(jù)分析等進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1" 微弱熱變形測(cè)量方案

1.1" 測(cè)量方法

目前熱變形測(cè)量的方式主要有以下幾種。①應(yīng)變片法：該方法較多地應(yīng)用于地面常壓試驗(yàn)中，根據(jù)應(yīng)變片的測(cè)量原理，基于材料的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，材料因受外力作用產(chǎn)生變形，導(dǎo)致電阻的變化，測(cè)量精度較低，一般優(yōu)于0.2 mm，在一些精度要求不高的場(chǎng)合可以使用，測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)單，測(cè)量成本低。②光學(xué)測(cè)量法：雙目測(cè)量系統(tǒng)是光學(xué)測(cè)量方法中應(yīng)用較為廣泛的一種，該方法測(cè)量精度較高，可以滿足0.05 mm以下精度的測(cè)試，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)高，尤其在真空罐內(nèi)使用時(shí)，要考慮相機(jī)在真空環(huán)境及高低溫交變環(huán)境中的使用，需要采取一些特殊的防護(hù)手段，才能保證相機(jī)的長(zhǎng)時(shí)間正常穩(wěn)定工作。

綜上，根據(jù)太陽(yáng)電池陣基板微變形量測(cè)量精度要求優(yōu)于0.05 mm，本文采用光學(xué)方法測(cè)量中的交會(huì)照相法對(duì)真空環(huán)境下的太陽(yáng)電池陣基板在不同外熱流作用下的變形量進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)量研究[3]。

1.2" 測(cè)量原理

計(jì)算機(jī)立體視覺(jué)測(cè)量指的是由多幅二維平面圖像，恢復(fù)出被攝物體的空間三維坐標(biāo)，而其中基于兩幅圖像的雙目視覺(jué)技術(shù)則是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。若采用雙（多）臺(tái)相機(jī)在不同的攝站點(diǎn)拍攝被測(cè)目標(biāo)物，形成多攝站交會(huì)的多目立體模型。具體解析公式為[4-5]

式中：x0、y0、f為像片的內(nèi)方位元素，分別代表像主點(diǎn)與主距，是確定攝影相機(jī)鏡頭中心（攝影中心）相對(duì)于影像位置關(guān)系的參數(shù)，用以恢復(fù)攝影時(shí)攝影光束的形狀； Xs、Ys、Zs、ψ、ω、κ為像片的外方位元素，是表達(dá)像片或攝影光束在攝影瞬間的空間位置與姿態(tài)的參數(shù)；ai、bi、ci（i=1、2、3）為像片的3個(gè)外方位元素ψ、ω、κ所組成的9個(gè)方向余弦；Δx、Δy為各像點(diǎn)坐標(biāo)相對(duì)其理論位置坐標(biāo)（x、y）存在的小偏差（畸變）。

由最小二乘平差原理，根據(jù)上述公式列出誤差方程式，采用光束法平差算法進(jìn)行求解，即可以獲得被測(cè)對(duì)象的三維空間位置坐標(biāo)（Xi，Yi，Zi）。

1.3" 測(cè)量方案

根據(jù)需求分析，待測(cè)產(chǎn)品整體平面尺寸約為2 m×1.44 m，實(shí)際測(cè)量區(qū)域?yàn)楫a(chǎn)品整體平面的四分之一區(qū)域，即待測(cè)平面尺寸約1 m×0.72 m。為了方便相機(jī)防護(hù)罐的架設(shè)，本次真空熱變形測(cè)量選取產(chǎn)品右下角區(qū)域進(jìn)行測(cè)量。本方案采用雙相機(jī)工業(yè)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行熱變形測(cè)量（2臺(tái)相機(jī)）。

試驗(yàn)時(shí)待測(cè)產(chǎn)品豎直固定在真空罐內(nèi)，產(chǎn)品待測(cè)量表面正前方架設(shè)2套相機(jī)防護(hù)罐（測(cè)量相機(jī)安裝在相機(jī)防護(hù)罐內(nèi)），由于產(chǎn)品需要通過(guò)紅外燈陣輻射升溫，所以產(chǎn)品待測(cè)表面前方還設(shè)置有紅外燈陣，即紅外燈陣位于產(chǎn)品與相機(jī)之間，如圖1所示。

在產(chǎn)品待測(cè)表面（產(chǎn)品右下角四分之一區(qū)域內(nèi)）粘貼高低溫測(cè)量專用攝影靶標(biāo)，在防護(hù)罐與真空罐外的控制柜間連接溫控管路和電纜線，測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊可以控制相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)，采集的圖像數(shù)據(jù)通過(guò)電纜線實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)，然后通過(guò)圖像處理模塊得到各攝影靶標(biāo)的三維坐標(biāo)，通過(guò)數(shù)據(jù)分析模塊對(duì)點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行分析即可得到產(chǎn)品的平面度和變形量[6]。相機(jī)防護(hù)溫控系統(tǒng)主要用于給相機(jī)正常工作提供一個(gè)比較舒適的環(huán)境，確保相機(jī)成像的質(zhì)量。

2" 試驗(yàn)系統(tǒng)建立

2.1" 空間外熱流模擬系統(tǒng)

空間外熱流模擬系統(tǒng)包括空間外熱流模擬裝置、真空冷黑環(huán)境裝置，其中本次試驗(yàn)的真空冷黑環(huán)境裝置為真空罐KM2。

其中空間外熱流模擬方法按照模擬熱流的特點(diǎn)可以分為2類(lèi)：一種稱為入射熱流模擬法，目前主流的模擬方式是在大型空間模擬器內(nèi)配有太陽(yáng)模擬器，充分考慮太陽(yáng)光的光譜特性、方向性等指標(biāo)，可較為真實(shí)地模擬入射熱流，但是試驗(yàn)系統(tǒng)復(fù)雜，單次試驗(yàn)成本較高。另外一種稱為吸收熱流模擬法，目前主流的模擬方式有紅外燈陣、紅外加熱籠、薄膜式加熱片和紅外加熱罩等，此方法只考慮物體表面的吸收熱流，使模擬的熱流等于物體表面實(shí)際吸收的熱流，只考慮物體表面的紅外輻射特性[7]。本文采用吸收熱流模擬方法對(duì)太陽(yáng)電池陣基板進(jìn)行在軌外熱流的模擬。

試驗(yàn)對(duì)象太陽(yáng)電池陣的尺寸為2 000 mm×1 440 mm，采用了紅外燈陣方法進(jìn)行外熱流模擬設(shè)計(jì)，每塊板設(shè)60盞燈，根據(jù)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，紅外燈陣@95 ℃的到達(dá)效率約為16%，以每盞燈80%的輸出功率400 W計(jì)算，如圖2所示。

太陽(yáng)電池陣表面紅外發(fā)射率ε以0.88計(jì)，則單塊太陽(yáng)電池陣基板加熱到95 ℃需要的熱流密度為913 W/m2，對(duì)應(yīng)的吸收輻射熱量為2 629 W，紅外燈陣所需的輻射總熱量為2 629/0.16=16 850 W，對(duì)應(yīng)16 850/400≈41盞燈。由上述分析可知，紅外燈陣的設(shè)計(jì)密度可以滿足需求。整個(gè)熱流施加的準(zhǔn)確性通過(guò)黑片式熱流計(jì)與對(duì)應(yīng)區(qū)域紅外燈陣形成自閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制保證，本試驗(yàn)方法只進(jìn)行光照和陰影區(qū)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱流模擬。

2.2" 測(cè)量系統(tǒng)

數(shù)字化攝影測(cè)量系統(tǒng)主要由實(shí)時(shí)測(cè)量相機(jī)、定向尺、轉(zhuǎn)接電纜線、靶標(biāo)、測(cè)試軟件和相機(jī)防護(hù)設(shè)備等組成，系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

在試驗(yàn)過(guò)程中，為保證測(cè)量精度與測(cè)量的準(zhǔn)確性，主要的核心控制點(diǎn)在于相機(jī)的防護(hù)、靶標(biāo)粘貼及基準(zhǔn)尺布置，下面具體介紹相關(guān)測(cè)量過(guò)程的控制情況。

2.2.1" 相機(jī)防護(hù)

測(cè)量相機(jī)要求置于高低溫真空艙室內(nèi)工作，高低溫真空艙室內(nèi)溫度以及氣壓會(huì)對(duì)相機(jī)造成損壞。因此采用對(duì)測(cè)量相機(jī)設(shè)計(jì)防護(hù)罐形式進(jìn)行溫度防護(hù)以及壓力防護(hù)。相機(jī)防護(hù)罐主要是為實(shí)現(xiàn)相機(jī)在不能耐受的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)拍攝所提供的一種保護(hù)罐，防護(hù)罐內(nèi)維持相機(jī)能耐受的環(huán)境以達(dá)到對(duì)相機(jī)的保護(hù)目的，確保相機(jī)成像質(zhì)量的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)采用真空絕熱層防護(hù)罐保護(hù)相機(jī)，將相機(jī)置于防護(hù)罐內(nèi)，真空絕熱層最大限度地減小漏熱，罐內(nèi)溫度控制采用罐內(nèi)壁貼導(dǎo)熱管換熱方式，通過(guò)外部溫度控制機(jī)組將控溫后的載冷劑通入導(dǎo)熱管內(nèi)實(shí)現(xiàn)罐內(nèi)溫度控制，考慮到真空罐內(nèi)介質(zhì)使用的安全性，本次試驗(yàn)中載冷劑選擇工業(yè)酒精[8]。

2.2.2" 靶標(biāo)粘貼

試驗(yàn)前需要先在產(chǎn)品表面粘貼高低溫專用攝影靶標(biāo)，包括單點(diǎn)和編碼點(diǎn)，攝影單點(diǎn)用于計(jì)算分析產(chǎn)品的平面度和變形量，由于測(cè)量系統(tǒng)采用的是不穩(wěn)定測(cè)量模式，每次測(cè)量需要通過(guò)編碼點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)定向，所以在產(chǎn)品表面還需要均勻粘貼25個(gè)左右的高低溫專用攝影編碼點(diǎn)。由于相機(jī)和產(chǎn)品之間設(shè)置有紅外燈陣，紅外燈陣會(huì)對(duì)相機(jī)視線造成遮擋，所以在粘貼靶標(biāo)前，先打開(kāi)相機(jī)測(cè)量軟件，在軟件內(nèi)查看2臺(tái)相機(jī)都能測(cè)量到的產(chǎn)品區(qū)域，然后在可測(cè)區(qū)域內(nèi)粘貼測(cè)量靶標(biāo)，靶標(biāo)粘貼完成后，通過(guò)測(cè)試軟件再次掃描靶標(biāo)位置，確保所有靶標(biāo)位置可見(jiàn)。

2.2.3" 基準(zhǔn)尺布置

由于測(cè)量系統(tǒng)采用的是不穩(wěn)定測(cè)量模式，每次測(cè)量需要通過(guò)編碼點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)定向，同時(shí)需要通過(guò)測(cè)量攝影基準(zhǔn)尺恢復(fù)系統(tǒng)尺度，所以需要在產(chǎn)品邊緣布設(shè)一根強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)低的攝影基準(zhǔn)尺，基準(zhǔn)尺的制作材料一般使用碳纖維、殷鋼（膨脹系數(shù)?。?。通常在基準(zhǔn)尺的兩端粘貼反射標(biāo)識(shí)，用于基準(zhǔn)尺長(zhǎng)度的精確定位及測(cè)量，基準(zhǔn)尺的長(zhǎng)度決定了整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量的精確性，因此購(gòu)置的基準(zhǔn)尺的質(zhì)量非常重要，試驗(yàn)前需要進(jìn)行標(biāo)定。

3" 測(cè)量結(jié)果與分析

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后測(cè)量軟件開(kāi)始對(duì)采集照片處理分析，圖像處理模塊將采集的圖像經(jīng)過(guò)圖像處理、靶標(biāo)的識(shí)別、圖像配對(duì)、空間三角交會(huì)及光束法平差得到被測(cè)點(diǎn)的三維空間位置坐標(biāo)。在測(cè)量軟件內(nèi)通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)形體擬合功能（圖3），使用測(cè)量的點(diǎn)坐標(biāo)擬合平面計(jì)算平面度[9-10]。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，通過(guò)光學(xué)交會(huì)照相方法測(cè)量的太陽(yáng)電池陣基板表面微弱變形量偏差最大是0.047 mm，最小是0.001 mm，優(yōu)于0.05 mm，滿足太陽(yáng)電池陣基板在真空冷黑環(huán)境下的微弱變形測(cè)量指標(biāo)的需求。

4" 結(jié)論

綜上所述，采用紅外燈陣結(jié)合真空罐的模擬方式，可以有效地進(jìn)行航天器在軌吸收熱流和冷黑空間環(huán)境的模擬，同時(shí)結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在真空熱試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)太陽(yáng)電池陣基板熱變形量的高精度測(cè)量，本次試驗(yàn)對(duì)象太陽(yáng)電池陣基板2 m×1.44 m，測(cè)量結(jié)果表明整個(gè)基板由于溫度梯度變化引起的形變量在0.05 mm以內(nèi)，數(shù)字?jǐn)z影測(cè)量技術(shù)可完全滿足試驗(yàn)關(guān)于形變量測(cè)量的精度要求。該試驗(yàn)方法在后續(xù)太陽(yáng)電池陣基板的非接觸熱變形測(cè)量中有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值，為后續(xù)太陽(yáng)電池陣基板蓋片及蓋片間銀連片的設(shè)計(jì)提供了試驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)該方法也可以推廣應(yīng)用至航天器上其他產(chǎn)品的熱變形測(cè)量。

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