收攏壓緊柔性太陽(yáng)翼電池片應(yīng)力影響因素研究

王冬旭，張勝芝，葉曉濱

（航天科工空間工程發(fā)展有限公司，北京 100854）

0 引言

太陽(yáng)翼是由相互連接的多塊基板和相關(guān)結(jié)構(gòu)機(jī)構(gòu)組成的一次能源陣列?；迨翘?yáng)翼結(jié)構(gòu)中的最主要部分，其功能為支承太陽(yáng)電池及其電路，基板與太陽(yáng)電池電路一起構(gòu)成太陽(yáng)電池板[1]。相比于傳統(tǒng)的剛性基板、半剛性基板，以玻璃纖維增強(qiáng)聚酰亞胺薄膜為代表的柔性基板具有面密度小、折疊包絡(luò)空間小、展開(kāi)供電面積大的優(yōu)勢(shì)，已在空間飛行器領(lǐng)域得到大量應(yīng)用[2-5]。GaAs 太陽(yáng)電池具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率（可超過(guò)32%）、更強(qiáng)的抗輻射能力和更好的耐高溫性能，是公認(rèn)的新一代高性能長(zhǎng)壽命空間主電源[6-8]，其中三結(jié)GaAs 太陽(yáng)電池在空間飛行器領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛[9]。

在空間飛行器的柔性折疊式太陽(yáng)翼入軌展開(kāi)前，柔性基板及其上電池片被上下蓋板壓緊，承受轉(zhuǎn)運(yùn)、發(fā)射過(guò)程中的各種載荷。電池片是將空間軌道上太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為電能的核心元器件；為防止其壓縮損傷，常在每塊（或每組）基板的上下表面放置泡沫緩沖材料。對(duì)整塊太陽(yáng)電池板而言，在壓緊力和發(fā)射階段加速度載荷作用下，壓緊點(diǎn)附近的電池片應(yīng)力最大。研究電池片應(yīng)力影響因素和規(guī)律，對(duì)確保電池片的安全可靠具有重要意義。減小壓緊力雖有助于降低電池片的壓應(yīng)力，但是會(huì)降低結(jié)構(gòu)基頻和增大振動(dòng)響應(yīng)，不利于動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)，因此柔性太陽(yáng)翼設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于合理設(shè)計(jì)組成結(jié)構(gòu)，以同時(shí)滿足動(dòng)力學(xué)和靜力學(xué)要求，解決附近局部應(yīng)力過(guò)大問(wèn)題。目前針對(duì)柔性太陽(yáng)翼及其壓緊和釋放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、柔性太陽(yáng)翼電池片應(yīng)力計(jì)算的相關(guān)文獻(xiàn)較少。于登云等對(duì)大型構(gòu)件壓緊和釋放機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹[10]。黎之奇等依據(jù)最小勢(shì)能原理對(duì)晶體硅電池片在外載荷作用下的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行研究[11]，并通過(guò)ANSYS 軟件對(duì)不同風(fēng)載作用下的電池片應(yīng)力進(jìn)行研究[12]。

本文研究目的在于通過(guò)合理設(shè)計(jì)柔性太陽(yáng)翼壓緊釋放機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式，滿足太陽(yáng)電池片在發(fā)射過(guò)載下的靜力強(qiáng)度條件，解決當(dāng)前柔性太陽(yáng)翼研制中面臨的技術(shù)問(wèn)題。文章首先介紹電池片應(yīng)力影響因素，然后逐一研究各因素的影響程度，通過(guò)有限元建模仿真計(jì)算確定相應(yīng)的電池片應(yīng)力，以期為類似結(jié)構(gòu)和工況的柔性太陽(yáng)翼設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元建模

柔性太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)包括上蓋板、下蓋板、聚酰亞胺泡沫層、柔性基板、電池片、埋件和壓緊桿，如圖1 所示。其中柔性基板為多張相鄰連接的聚酰亞胺薄膜，大量單件尺寸為40 mm×60 mm 的剛性三結(jié)GaAs 電池片貼在柔性基板表面，展開(kāi)后所有電池片位于柔性基板的一側(cè)。泡沫對(duì)壓緊力的分散作用以及泡沫自身的彈性，保證了層間電池片緊密接觸。

圖1 可折疊柔性太陽(yáng)翼結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure schematic of flexible foldable solar wing

聚酰亞胺泡沫具有密度小、保溫性能好、使用溫度區(qū)間大等優(yōu)點(diǎn)，以SOLIMIDE 牌號(hào)為代表的聚酰亞胺泡沫在航天領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，主要用作緩沖吸能或隔熱材料。參考以往航天器工程研制數(shù)據(jù)，聚酰亞胺泡沫的壓縮模量通常在0.1 MPa 左右。

采用有限元工程軟件Abaqus 建立應(yīng)力分析模型，模型單位制為mm-t-s，下文所有應(yīng)力仿真結(jié)果對(duì)應(yīng)埋件區(qū)靠近上蓋板的電池片層，標(biāo)尺數(shù)據(jù)單位為MPa。基板、聚酰亞胺泡沫、電池片采用的單元類型為六面體單元C3D8R；上、下蓋板采用的單元類型為四邊形單元S4R；壓緊桿采用的單元類型為梁?jiǎn)卧狟31。有限元模型中，載荷包括2 根壓緊桿的壓緊力和發(fā)射過(guò)程中的最大加速度載荷，壓緊力采用螺栓預(yù)緊力的形式施加，約束條件為壓緊桿下端面固支。

上、下蓋板的復(fù)合材料蒙皮的力學(xué)性能如表1所示，其余鋁蜂窩結(jié)構(gòu)、鋁合金材料的力學(xué)性能可根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)或廠家牌號(hào)數(shù)據(jù)確定。

表1 蓋板復(fù)合材料蒙皮力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical properties of cover composite skin

所用電池片壓縮強(qiáng)度為30 kPa，按照1.1 倍安全系數(shù)設(shè)計(jì)，則電池片的壓應(yīng)力不能超過(guò)27 kPa。

2 電池片應(yīng)力影響因素分析

本文從聚酰亞胺泡沫布局和厚度、泡沫剛度、蓋板結(jié)構(gòu)尺寸、埋件形狀等4 方面分析各因素對(duì)電池片應(yīng)力的影響。這4 方面因素都會(huì)影響蓋板和太陽(yáng)電池板之間的應(yīng)力傳遞。在壓緊力和發(fā)射過(guò)載作用下，太陽(yáng)電池片受到壓應(yīng)力。由于剛性三結(jié)GaAs電池片結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)際分析中采用其整體的等效彈性模量，且在分析其壓應(yīng)力時(shí)，對(duì)0.1 mm 厚膠黏劑薄層采用殼單元建模。

1）泡沫布局的影響主要對(duì)比分析太陽(yáng)電池板組外部單側(cè)或雙側(cè)布置泡沫的不同；泡沫厚度的影響分析則以以往成功研制經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，仿真計(jì)算不同泡沫布局和厚度下的電池片應(yīng)力。

2）聚酰亞胺泡沫剛度影響參數(shù)主要是泡沫的壓縮模量，參考以往航天領(lǐng)域成功研制產(chǎn)品的聚酰亞胺泡沫壓縮模量，通過(guò)調(diào)整其數(shù)值進(jìn)行仿真分析，可以確定緩沖泡沫壓縮模量對(duì)電池片應(yīng)力的影響。

3）上下蓋板通常采用比剛度高的鋁蜂窩夾層板——高剛度的夾層板可以減小壓緊點(diǎn)周圍的變形，有助于壓力的均勻分布。夾層板結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括蒙皮厚度和芯子高度。

4）壓緊點(diǎn)位置需要設(shè)計(jì)埋件來(lái)承受和傳遞載荷，以最大外輪廓尺寸相同的圓形埋件、長(zhǎng)圓形埋件為對(duì)象，研究不同埋件形狀對(duì)電池片應(yīng)力的影響。

3 電池片應(yīng)力分析

壓緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要通過(guò)太陽(yáng)翼與星體接觸面的摩擦力等于橫向過(guò)載最大值的方法來(lái)估算壓緊力，即

式中：FF為太陽(yáng)翼整體和星體接觸面摩擦力；FP為單根壓緊桿拉力；μ為太陽(yáng)翼和星體接觸面摩擦系數(shù)；m為太陽(yáng)翼總質(zhì)量；a為過(guò)載加速度。由摩擦力等于橫向過(guò)載估算壓緊力，假設(shè)蓋板為剛體，則壓緊太陽(yáng)翼厚度方向（壓力方向）各部分壓應(yīng)力一致，電池片壓應(yīng)力為

式中S為壓力作用面積。那么，代入數(shù)據(jù)后可得假設(shè)蓋板為剛體時(shí)的電池片壓應(yīng)力約為20 kPa。對(duì)實(shí)際為非剛體的蓋板，電池片壓應(yīng)力需由有限元法具體計(jì)算。

3.1 聚酰亞胺泡沫布局和厚度影響分析

在分析緩沖泡沫布局和厚度影響時(shí)，取泡沫壓縮模量為0.1 MPa，壓緊點(diǎn)埋件為圓形外輪廓的鋁合金結(jié)構(gòu)，埋件高度和鋁蜂窩芯子厚度保持一致。上、下蓋板為碳纖維網(wǎng)格布蒙皮/鋁蜂窩芯子夾層板。布局方面，主要考慮折疊基板組外部單側(cè)或雙側(cè)布置泡沫2 種形式，泡沫蒙皮厚度為0.5 mm，芯子高度為20 mm。模型、計(jì)算結(jié)果如表2 以及圖2、圖3 所示。

圖3 雙側(cè)布置泡沫的電池片應(yīng)力云圖Fig.3 Stress nephogram of cell with foam on both sides

表2 不同緩沖泡沫布局對(duì)應(yīng)的電池片應(yīng)力Table 2 Stress of cell for different layouts of buffer foam

圖2 單側(cè)布置泡沫（泡沫厚40 mm）的電池片應(yīng)力云圖Fig.2 Stress nephogram of cell with foam (thickness 40 mm)on single side

單側(cè)布置40 mm 厚的緩沖泡沫時(shí)，如圖2(a)所示，無(wú)泡沫一側(cè)壓應(yīng)力遠(yuǎn)超過(guò)電池片壓縮強(qiáng)度；如圖2(b)所示，有泡沫一側(cè)埋件區(qū)仍有較大面積的壓應(yīng)力超過(guò)27 kPa。

雙側(cè)布置總厚度20 mm 的緩沖泡沫，兩側(cè)泡沫厚度均為10 mm 時(shí)，如圖3(a)所示，壓緊點(diǎn)孔邊緣最大壓應(yīng)力達(dá)到52.58 kPa，圓形埋件的絕大多數(shù)區(qū)域?qū)?yīng)電池片的壓應(yīng)力超過(guò)27 kPa。

雙側(cè)布置總厚度40 mm 的緩沖泡沫，兩側(cè)泡沫厚度均為20 mm 時(shí)，如圖3(b)所示，壓緊點(diǎn)孔邊緣最大壓應(yīng)力達(dá)到49.06 kPa，埋件區(qū)（孔邊緣除外）電池片壓應(yīng)力小于27 kPa。

上述結(jié)果表明：緩沖泡沫雙側(cè)布置比單側(cè)布置更合理；泡沫雙側(cè)等厚布局明顯降低了電池片壓應(yīng)力，且相比20 mm 總厚度，40 mm 總厚度的雙側(cè)布局下電池片壓應(yīng)力更小。

3.2 聚酰亞胺泡沫剛度影響分析

在分析緩沖泡沫剛度影響時(shí)，以航天器常用聚酰亞胺泡沫0.1 MPa 壓縮模量為基礎(chǔ)，研究5 種不同模量值對(duì)電池片壓應(yīng)力的影響。壓緊點(diǎn)埋件統(tǒng)一采用圓形鋁合金結(jié)構(gòu)。上、下蓋板為碳纖維網(wǎng)格布蒙皮/鋁蜂窩芯子夾層板。緩沖泡沫布局為雙側(cè)分別布置20 mm 厚泡沫，泡沫蒙皮厚度為0.5 mm，芯子高度為20 mm。計(jì)算結(jié)果如表3 所示，壓應(yīng)力云圖如圖4 所示（圖中省略了泡沫壓縮模量0.10 MPa時(shí)的壓應(yīng)力云圖，可參見(jiàn)圖3(b)）。

表3 不同壓縮模量泡沫對(duì)應(yīng)的電池片壓應(yīng)力Table 3 Compressive stress of cell corresponding to foam with different compression modulus

圖4 不同壓縮模量泡沫對(duì)應(yīng)的電池片壓應(yīng)力云圖Fig.4 Compressive stress nephogram of cell corresponding to foam with different compression modulus

由圖4 可以看出，緩沖泡沫壓縮模量為0.05、0.10 MPa 時(shí)，電池片壓應(yīng)力超出27 kPa 的區(qū)域僅集中在孔邊緣，絕大部分埋件區(qū)域電池片壓應(yīng)力小于27 kPa；緩沖泡沫壓縮模量為0.15、0.20 MPa時(shí)，絕大部分埋件區(qū)域電池片壓應(yīng)力超出27 kPa；緩沖泡沫壓縮模量為0.25 MPa 時(shí)，全部埋件區(qū)電池片壓應(yīng)力超出27 kPa。

上述結(jié)果表明，壓縮模量為0.05 MPa、0.10 MPa時(shí)，緩沖泡沫均能滿足電池片的壓縮強(qiáng)度要求；而隨緩沖泡沫壓縮模量的增大，最大壓應(yīng)力逐漸增大；相應(yīng)地，埋件區(qū)應(yīng)力逐漸增大，直至全部區(qū)域壓應(yīng)力超過(guò)電池片設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

3.3 蓋板結(jié)構(gòu)影響分析

在分析上、下蓋板夾層板結(jié)構(gòu)影響時(shí)，壓緊點(diǎn)埋件采用圓形鋁合金結(jié)構(gòu)。緩沖泡沫布局為雙側(cè)分別布置20 mm 厚泡沫，泡沫壓縮模量為0.1 MPa。以航天器常用夾層板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)進(jìn)行研究，夾層板兩側(cè)等厚度蒙皮為碳纖維網(wǎng)格布材料，夾層板芯子為鋁蜂窩芯子，通過(guò)調(diào)整夾層板蒙皮厚度和蜂窩芯子高度，研究相應(yīng)的電池片應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果如表4所示，壓應(yīng)力云圖如圖5 所示（圖中省略了蒙皮厚度0.5 mm、芯子高度20 mm 時(shí)的壓應(yīng)力云圖，可參見(jiàn)圖3(b)）。

圖5 不同蓋板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的電池片壓應(yīng)力云圖Fig.5 Compressive stress nephogram of cell corresponding to different structural parameters of cover plate

表4 不同蓋板結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)應(yīng)的電池片壓應(yīng)力Table 4 Compressive stress of cell corresponding to different structural parameters of cover plate

夾層板芯子高度為20 mm，蒙皮厚度分別為0.3 mm、0.5 mm、0.8 mm 時(shí)，孔邊緣電池片最大壓應(yīng)力分別為51.60 kPa、49.06 kPa、47.34 kPa，即呈現(xiàn)隨蒙皮厚度增大逐漸減小趨勢(shì)。蒙皮厚度為0.3 mm 時(shí)，埋件部分區(qū)域電池片壓應(yīng)力超出27 kPa；蒙皮厚度為0.5 mm、0.8 mm 時(shí)，埋件區(qū)除孔邊緣外，電池片壓應(yīng)力均小于27 kPa。

夾層板蒙皮厚度為0.5 mm，芯子高度分別為15 mm、20 mm、25 mm 時(shí)，孔邊緣電池片最大壓應(yīng)力分別為52.31 kPa、49.06 kPa、46.29 kPa，即呈現(xiàn)隨芯子高度增大逐漸減小趨勢(shì)。芯子高度為15 mm時(shí)，埋件部分區(qū)域電池片壓應(yīng)力超出27 kPa；芯子高度為20 mm、25 mm 時(shí)，埋件區(qū)除孔邊緣外，電池片壓應(yīng)力均小于27 kPa。

上述結(jié)果表明：夾層板蒙皮厚度和芯子高度均影響埋件區(qū)電池片壓應(yīng)力；蒙皮厚度0.5 mm、芯子高度高于20 mm 時(shí)，埋件區(qū)（孔邊緣除外）電池片壓應(yīng)力小于27 kPa；芯子高度20 mm、蒙皮厚度大于0.5 mm 時(shí)，埋件區(qū)（孔邊緣除外）電池片壓應(yīng)力小于27 kPa。

3.4 埋件形狀影響分析

在分析壓緊點(diǎn)位置埋件形狀影響時(shí)，埋件采用最大外輪廓相同的圓形和長(zhǎng)圓形埋件，2 種埋件都是夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)結(jié)構(gòu)形式，如圖6 所示。其余結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)情況如下：緩沖泡沫布局為雙側(cè)分別布置20 mm 厚泡沫；泡沫壓縮彈性模量為0.1 MPa；兩側(cè)蓋板均為蒙皮厚度0.5 mm、芯子高度20 mm的碳纖維網(wǎng)格布鋁蜂窩夾層板材料。計(jì)算結(jié)果如表5 所示，壓應(yīng)力云圖如圖3(b)（圓形埋件）和圖7（長(zhǎng)圓形埋件）所示。

圖6 壓緊點(diǎn)位置圓形和長(zhǎng)圓形埋件Fig.6 Round and oblong embedded parts at compression point

表5 不同埋件形狀對(duì)應(yīng)的電池片壓應(yīng)力Table 5 Compressive stress of cell corresponding to different shapes of embedded parts

圖7 壓緊點(diǎn)長(zhǎng)圓形埋件區(qū)電池片壓應(yīng)力云圖Fig.7 Compressive stress nephogram of cell at oblong embedded part area

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，對(duì)于壓緊點(diǎn)位置最大外輪廓相同的圓形和長(zhǎng)圓形埋件，最大壓應(yīng)力均出現(xiàn)在孔邊緣，孔邊緣之外的埋件區(qū)電池片壓應(yīng)力均小于27 kPa。

壓緊點(diǎn)位置為圓形埋件時(shí)，埋件區(qū)電池片最大壓應(yīng)力位于孔邊緣，為49.06 kPa；埋件區(qū)電池片最小壓應(yīng)力為22.86 kPa。

壓緊點(diǎn)位置為長(zhǎng)圓形埋件時(shí)，埋件區(qū)電池片最大壓應(yīng)力位于孔邊緣，為42.47 kPa，埋件區(qū)電池片最小壓應(yīng)力為20.29 kPa。

上述結(jié)果表明：壓緊點(diǎn)位置為圓形或長(zhǎng)圓形埋件時(shí)，埋件區(qū)電池片壓應(yīng)力都能滿足電池片壓縮強(qiáng)度要求；相比之下，采用長(zhǎng)圓形埋件更有助于減小埋件區(qū)的電池片壓應(yīng)力。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了柔性折疊式太陽(yáng)翼收攏壓緊狀態(tài)下，其太陽(yáng)電池板上電池片壓應(yīng)力的影響因素，包括聚酰亞胺泡沫布局和厚度、泡沫剛度、蓋板結(jié)構(gòu)、埋件形狀等，通過(guò)有限元仿真計(jì)算得到如下設(shè)計(jì)建議：

采用壓縮模量較小的緩沖泡沫，雙側(cè)對(duì)稱布置，配合長(zhǎng)圓形埋件是減小收攏壓緊狀態(tài)柔性太陽(yáng)翼壓緊點(diǎn)附近電池片壓應(yīng)力的主要途徑；增大夾層蓋板蒙皮厚度和芯子高度有助于減小電池片壓應(yīng)力，但是會(huì)明顯增大結(jié)構(gòu)質(zhì)量。

上述結(jié)論可為太陽(yáng)翼收攏壓緊機(jī)構(gòu)的工程研制提供參考。目前，已完成的柔性太陽(yáng)翼振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果和動(dòng)力學(xué)有限元仿真結(jié)果符合性較好，由于產(chǎn)品研制計(jì)劃原因尚未進(jìn)行相關(guān)靜力學(xué)試驗(yàn)，研究工作有待進(jìn)一步開(kāi)展。