微小衛(wèi)星可展式剛撓結(jié)合板太陽電池陣設(shè)計

仇恒抗 楊琴 張智芳 蘇寶法 殷茂淑 王志超 方圓 楊廣

(1 上?？臻g電源研究所，上海 200245)(2 上海航天技術(shù)基礎(chǔ)研究所，上海 201109) (3 上海航天技術(shù)研究院，上海 201109)(4 中國科學(xué)院微小衛(wèi)星創(chuàng)新研究院，上海 201203)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，微小衛(wèi)星因其體積小、質(zhì)量小、成本低、周期短、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的突出優(yōu)點，已作為大衛(wèi)星的一個重要補充，在通信、遙感、科學(xué)研究、技術(shù)演示等諸多領(lǐng)域越來越顯示其特有的優(yōu)勢[1]。微小衛(wèi)星采用了集成化、模塊化等新型設(shè)計技術(shù)，隨著有效載荷的增加，其功率需求也不斷增加，需在有限的包絡(luò)體積內(nèi)實現(xiàn)更大的太陽電池陣展開面積，因此出現(xiàn)了類似大衛(wèi)星上的多維可展式太陽電池陣。

常規(guī)衛(wèi)星太陽電池陣主要為剛性太陽電池陣，剛性基板采用鋁蜂窩芯，面板為Kapton纖維和碳纖維復(fù)合材料，基板表面需要粘貼一層聚酰亞胺膜。工程應(yīng)用中基板厚度一般約為23 mm，板與板收攏間距一般約為20 mm,太陽電池電路附在基板表面，太陽電池陣收攏后對包絡(luò)體積有較高需求。由于微小衛(wèi)星通常受外包絡(luò)尺寸限制，其太陽電池陣基板一般采用厚度較薄的印制電路板(PCB)或者碳纖維復(fù)合材料板。采用PCB的優(yōu)點是成本較低，太陽電池電路內(nèi)部連接集成于基板上，簡化電路連接設(shè)計；另外，PCB密度較低，可以減小質(zhì)量[2]。目前，大部分立方體衛(wèi)星(CubeSat)的太陽電池陣基板都采用PCB作為基板結(jié)構(gòu)。文獻[3-4]中介紹了一些典型的PCB太陽電池陣結(jié)構(gòu)設(shè)計，文獻[5]中介紹了美國研制的可適用于CubeSat的單板可展式太陽電池陣，稱為高性能比(HaWK)太陽電池陣。但是，上述太陽電池陣多為單板可展式，未進行不同PCB板之間的內(nèi)置電路電連接，未實現(xiàn)多板收攏可展式太陽電池陣，在有限的包絡(luò)尺寸內(nèi)影響太陽電池陣面積最大化的實現(xiàn)。

本文設(shè)計了一種多板可展式剛撓結(jié)合板太陽電池陣，可實現(xiàn)太陽電池電路與基板集成、功率傳輸，省去常規(guī)太陽電池陣電路外部電線、電纜連接，在小包絡(luò)尺寸內(nèi)最大化滿足衛(wèi)星載荷對功率的需求。

1 可展式剛撓結(jié)合板太陽電池陣設(shè)計

基于微小衛(wèi)星在有限包絡(luò)范圍內(nèi)對較大功率的需求，為了實現(xiàn)太陽電池陣體積比功率及質(zhì)量比功率的大幅提升，本文采用剛撓結(jié)合板太陽電池陣技術(shù)，將太陽電池電路與基板高度集成，剛性PCB板內(nèi)設(shè)印制電路，實現(xiàn)板上太陽電池組件功率輸出，板與板之間的功率傳輸通過撓性板內(nèi)的柔性電纜承載，板與板之間的驅(qū)動展開及展開后的結(jié)構(gòu)支撐由設(shè)計的柔性鉸鏈實現(xiàn)，形成太陽電池電路與基板一體化可收攏展開式太陽電池陣。其技術(shù)難點體現(xiàn)在剛撓結(jié)合板的制板，以及太陽電池陣對發(fā)射段力學(xué)響應(yīng)和在軌環(huán)境適應(yīng)性等方面。

1)剛撓結(jié)合板制板

本文設(shè)計的剛撓結(jié)合板結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用4層板，頂層與底層為阻焊層，中間4層板為銅箔與基材層層壓合而成，在頂層與底層的阻焊層表面貼有聚酰亞胺膜，撓性區(qū)采用撓性基材(壓延銅箔)加覆蓋膜。

圖1 剛撓結(jié)合板結(jié)構(gòu)設(shè)計Fig.1 Structure design of rigid-flex plate

剛撓結(jié)合板板材涉及到柔性板材和剛性板材，2種板材在材質(zhì)及板材特性參數(shù)方面均有差異，因此在壓合過程中對2種板材漲縮控制方面有較高要求，根據(jù)材料特性進行仿真分析，通過工藝摸索掌握了2種板材較好的漲縮控制參數(shù)，其范圍控制在0.050～0.124。

剛撓結(jié)合板要露出需要彎折的柔性內(nèi)層，并且露出的柔性內(nèi)層表觀上不能有多余的殘膠，因此在壓合和揭蓋開窗過程中存在技術(shù)難度。在壓合的時候，采用將柔性區(qū)對應(yīng)的半固化片銑掉，并且保證一定的內(nèi)縮值，避免后期柔性區(qū)域存在溢膠。

一般在揭蓋開窗露出撓性板的過程中需要進行盲銑，目前的方式具有很大的局限性。首先，剛性板單片由于有預(yù)盲銑，厚度一般要保證在0.25 mm以上，對剛性板的疊層設(shè)計提出了更高的要求；其次，對于多張撓性板單片，容易在軟硬結(jié)合區(qū)有應(yīng)力殘余，導(dǎo)致軟硬結(jié)合區(qū)分層發(fā)白問題。為了解決上述問題，在撓性板開窗位置放置耐高溫的含聚四氟乙烯填充物，克服盲銑的缺陷，并且盲銑后易于柔性層的分離。

2)力學(xué)及環(huán)境適應(yīng)性

衛(wèi)星在發(fā)射階段具有一定的力學(xué)響應(yīng)，太陽電池陣要能夠克服力學(xué)振動的沖擊，而剛撓結(jié)合板的剛性板板壁較薄，振動響應(yīng)較大，在工程應(yīng)用時必須進行充分的仿真分析及試驗驗證。從剛撓結(jié)合板的熱學(xué)性能看，其與常規(guī)的碳纖維鋁蜂窩基板存在差異，因此需要結(jié)合在軌溫度條件驗證在高低溫交變環(huán)境中剛撓結(jié)合板的熱應(yīng)變，以滿足工程使用要求。

下文將結(jié)合設(shè)計實例，對剛撓結(jié)合板的力學(xué)及環(huán)境適應(yīng)性進行分析及驗證。

2 設(shè)計實例及驗證分析

2.1 剛撓結(jié)合板設(shè)計實例

某衛(wèi)星受包絡(luò)尺寸限制，單側(cè)太陽電池陣收攏后的包絡(luò)不能超過185 mm×420 mm×20 mm，收攏后板間距不大于5 mm，且太陽電池陣輸出功率不小于50 W。采用本文提出的剛撓結(jié)合板太陽電池陣設(shè)計，將通過銅層加固設(shè)計的PCB板作為太陽電池陣剛性基板，設(shè)計為4層板，銅箔與基材層層壓合，在頂層與底層的阻焊層表面上貼有聚酰亞胺膜增強絕緣性能，撓性區(qū)采用撓性基材(壓延銅箔)加覆蓋膜，產(chǎn)品實物如圖2所示。設(shè)計的剛撓結(jié)合板太陽電池陣輸出功率約為60 W，展開后外廓尺寸為376 mm×430 mm，板厚度為2.1 mm，2塊剛性板折疊后的間距為5 mm，質(zhì)量720 g。

圖2 剛撓結(jié)合板實物Fig.2 Physical map of rigid-flex plate

基板內(nèi)的印制電路作為太陽電池陣電路的連接電路，PCB板頂層及底層分別開窗預(yù)留焊盤與相應(yīng)太陽電池組件正、負極相連，撓性板的內(nèi)置撓性電纜將剛性基板之間的電路進行連接，最終實現(xiàn)太陽電池陣電路與基板的完全集成，省去電線、電纜、接插件連接，形成可折疊展開式太陽電池陣。太陽電池組件粘貼在剛性基板表面、太陽電池組件兩端的銀連接片焊接在PCB預(yù)留的焊盤上，形成太陽電池陣。剛撓結(jié)合板電路原理如圖3所示，太陽電池陣實物如圖4所示。

圖3 剛撓結(jié)合板電路原理Fig.3 Circuit princple of rigid-flex plate

圖4 剛撓結(jié)合板太陽電池陣實物Fig.4 Physical map of rigid-flex plate solar array

2.2 機構(gòu)和壓緊釋放裝置設(shè)計實例

針對可展式剛撓結(jié)合板太陽電池陣的使用特點，優(yōu)化太陽電池陣的機構(gòu)設(shè)計，其中主要包括壓緊釋放機構(gòu)、集中解鎖機構(gòu)、門軸鉸鏈和柔性鉸鏈。

CubeSat太陽電池陣壓緊釋放裝置通常采用熔線式壓緊釋放裝置[6]，利用不同熱膨脹系數(shù)原理的壓緊釋放裝置[7]，以及采用電機驅(qū)動的壓緊釋放裝置[8]。本文提出的剛撓結(jié)合板太陽電池陣，通過記憶合金脹斷器通電加熱，脹斷鈦桿，解壓緊釋放機構(gòu)的約束。

壓緊釋放機構(gòu)主要由滑動壓板、聯(lián)動繩組件、驅(qū)動彈簧、內(nèi)板墊塊1及內(nèi)板墊塊2等組成(如圖5所示)?；瑒訅喊迮c基板外板墊塊1的接觸面均為45°斜面，從而達到水平施加壓緊力同時能夠約束豎直方向自由度的目的。壓緊機構(gòu)通過墊塊1將壓緊力傳遞到墊塊2上，墊塊1與墊塊2的接觸面噴涂二硫化鉬，以提高接觸面間的摩擦系數(shù)。

圖5 壓緊釋放機構(gòu)Fig.5 Pressure releasing machanism

太陽電池陣結(jié)構(gòu)與機構(gòu)兩翼展開驅(qū)動集成在一起，由集中解鎖機構(gòu)(如圖6所示)實現(xiàn)。入軌后，根據(jù)程控或遙控指令完成解鎖功能，指令啟動記憶合金脹斷器控制電路后，記憶合金脹斷器通電加熱，脹斷鈦桿，解除對壓緊釋放機構(gòu)的約束。

圖6 集中解鎖機構(gòu)Fig.6 Centralized unlocking machanism

門軸鉸鏈由固定座、扭簧和鎖定部分構(gòu)成，展開狀態(tài)如圖7所示。門軸鉸鏈轉(zhuǎn)動座和固定座通過轉(zhuǎn)軸連接在一起，中部有2個扭簧，起到驅(qū)動作用，鎖定部分起到到位鎖定作用。在展開到位時，限位臺將轉(zhuǎn)動座限定在90°的位置，鎖簧驅(qū)動鎖銷將轉(zhuǎn)動座鎖定，鎖銷與固定座鎖定結(jié)果采用錐臺錐孔配合，適應(yīng)裝配誤差，滿足鎖定剛度要求。柔性鉸鏈是太陽電池陣外板展開的驅(qū)動組件，鉸鏈由兩端的基座和中部的簧片構(gòu)成。

圖7 門軸鉸鏈展開狀態(tài)Fig.7 Door-hinge unfolded state

2.3 驗證分析

1)基板模態(tài)

根據(jù)GJB 2602-96《空間太陽電池陣通用規(guī)范》要求，太陽電池陣在收攏狀態(tài)下的固有頻率應(yīng)不與整星的固有頻率相耦合，其第一階固有頻率一般應(yīng)大于20 Hz，可展式太陽電池陣在展開鎖定后的第一階非平面彎曲固有頻率應(yīng)不與衛(wèi)星姿態(tài)控制系統(tǒng)回路頻率相干擾，一般應(yīng)大于0.1 Hz。因此，對所設(shè)計的剛撓結(jié)合板太陽電池陣在收攏壓緊狀態(tài)下及展開狀態(tài)下進行模態(tài)仿真分析，仿真分析云圖結(jié)果如圖8與圖9所示。剛撓結(jié)合板收攏狀態(tài)的一階模態(tài)頻率為33.536 Hz，展開狀態(tài)整翼一階模態(tài)頻率為2.600 4 Hz，滿足衛(wèi)星使用要求。

圖9 展開狀態(tài)下一階模態(tài)Fig.9 The 1st mode of deployed state

對剛撓結(jié)合板太陽電池陣，開展鑒定級與驗收級正弦振動、隨機振動試驗，試驗條件分別如表1和表2所示。振動試驗后，太陽電池陣表觀完好、太陽電池?zé)o碎裂，剛撓結(jié)合板無損傷、無變形，通過試驗考核，滿足衛(wèi)星使用要求。

表1 正弦振動條件Table 1 Condition of sinusoidal vibration

表2 隨機振動條件Table 2 Condition of random vibration

2)太陽電池陣展開

對設(shè)計的太陽陣進行地面展開試驗。展開過程順利，展開時間約為2 s，表明機構(gòu)設(shè)計合理可行。展開后的實物照片如圖10所示。

圖10 剛撓結(jié)合板太陽電池陣展開實物Fig.10 Physical map of deployed rigid-flex plate solar array

3)基板熱應(yīng)變

為充分驗證剛撓結(jié)合板的PCB基板在高低溫?zé)釠_擊中的變形情況，對剛撓結(jié)合板進行高低溫?zé)釠_擊試驗(溫度范圍-95～+95 ℃)。在基板表面粘貼應(yīng)變傳感器，以采集基板在試驗過程中的應(yīng)變信號，試驗結(jié)果如圖11所示。

圖11 剛撓結(jié)合板的周期性熱應(yīng)變曲線Fig.11 Periodic thermal strain curves of rigid-flex plate

剛撓結(jié)合板的高低溫應(yīng)變差值為1300微應(yīng)變(με)，有豐富飛行經(jīng)驗的常規(guī)鋁蜂窩碳纖維剛性基板的熱應(yīng)變試驗結(jié)果一般為不大于2000微應(yīng)變，所以剛撓結(jié)合板的熱應(yīng)變滿足空間溫度環(huán)境的工程應(yīng)用。

對設(shè)計的剛撓結(jié)合板太陽電池陣開展熱真空試驗。試驗條件為：真空度不大于1.3×10-3Pa；溫度范圍為-90～+120 ℃；循環(huán)次數(shù)為6.5次。試驗后，太陽電池陣表觀完好，印制板無變形、無分層、太陽電池?zé)o碎裂，滿足工程應(yīng)用需求。

3 在軌驗證

太陽電池陣采用剛撓結(jié)合板設(shè)計，單側(cè)太陽電池陣收攏后外廓尺寸為180 mm×430 mm，厚度為2.1 mm，收攏折疊后的板間距為5 mm，太陽電池陣輸出總功率約為60 W，質(zhì)量僅為720 g，比采用常規(guī)鋁蜂窩碳纖維基板設(shè)計[9]，太陽電池陣體積比功率及質(zhì)量比功率均提高了1倍以上。

本文設(shè)計的剛撓結(jié)合板太陽電池陣已在軌成功應(yīng)用，太陽電池陣工作性能良好，電路部分電流輸出穩(wěn)定，在母線下輸出電流約為5.2 A(如圖12所示，為某月太陽電池陣輸出電流曲線)，母線下功率輸出大于60 W。因此，剛撓結(jié)合板太陽電池陣在衛(wèi)星有效的包絡(luò)空間內(nèi)，功率輸出滿足衛(wèi)星的功耗需求。

圖12 剛撓結(jié)合板太陽電池陣在軌遙測電流Fig.12 Telemetering current of rigid-flex plate solar array on orbit

4 結(jié)束語

太陽電池陣采用剛撓結(jié)合板設(shè)計，將太陽電池電路與基板高度集成，具有太陽電池陣基板薄、質(zhì)量小、電路連接簡化及撓性板可彎曲折疊等優(yōu)點，能滿足微小衛(wèi)星高質(zhì)量比、高體積比功率的需求。針對剛撓結(jié)合板太陽電池陣的使用特點，本文優(yōu)化太陽電池陣壓緊釋放、展開鎖定機構(gòu)設(shè)計。設(shè)計的剛撓結(jié)合板太陽電池陣通過了太陽電池陣展開及整星力學(xué)、熱學(xué)等鑒定試驗考核及在軌飛行驗證，可為后續(xù)相關(guān)太陽電池陣設(shè)計提供參考。隨著微小衛(wèi)星有效載荷技術(shù)的發(fā)展，對大面積太陽電池陣的需求日益迫切，本文設(shè)計的太陽電池陣要實現(xiàn)更大的面積，還要進一步優(yōu)化其結(jié)構(gòu)及組成方式，以適應(yīng)剛度及基頻的約束。此外，還要在模塊化、組合化及標準化設(shè)計等方面開展進一步的探索性的工作。