太阳电池阵基板结构优化设计①

0 引言

太阳电池阵是航天器完成空间任务不可或缺的主要能源供给系统[1]，随着国内空间事业的迅速发展，太阳电池阵的发展趋势向小质量、大功率、高柔性、高灵敏度、高稳定性和高可靠性方向发展[2]。而太阳电池阵基于更好地完成空间任务，需要研究新型空间太阳电池阵技术。

1.5 统计学分析 采取SHEsis在线软件对试验数据进行连锁不平衡以及HWE检验分析，对早产儿脑瘫组以及对照组之间ATG5基因中的5个多态性位点的单倍型频率、等位基因频率以及基因型频率进行比较分析。计量资料表示，组间比较采用单因素方差分析或重复测量的方差分析，组间两两比较采用LSD-t检验；计数资料(%)表示，χ2检验，P<0.05为差异有统计学意义。

空间太阳电池阵由基板、展开机构及太阳电池片三部分构成，太阳电池阵基板作为支撑太阳电池片的重要结构，可为太阳电池片、互连线及导线等提供安装位置。作为太阳电池阵的载体，太阳电池阵基板需要承受发射和在轨运行阶段的工况载荷，确保电路部分的器件不会受损，并在空间正常工作，其重要性显而易见。

目前，国内广泛使用的太阳电池阵基板结构在重量、刚度特性等方面的缺陷，已无法满足复杂航天运行任务。针对这一特点，本文在传统太阳电池阵基板结构的基础上，设计了一种具有加强区域碳纤维栅格蒙皮结构的太阳电池阵基板，目的是在提高基板刚度特性，同时，获得小体积、轻质量、高可靠性和高稳定性。

湖南大队长农业有限公司总经理高贵表示，今年粮食价格较低，化肥价格高，百姓用肥积极性相对不是很积极。但是依然不会放弃冬储市场，目前正在等磷复肥会议结束后进行一波冬储。

1 太阳电池阵基板结构设计

1.2.1 蒙皮

1.1 太阳电池阵基板结构形式

目前，按照太阳电池阵基板本身的相对物理特性可分为柔性基板、半刚性基板及刚性基板三类(见图1)。采用聚酰亚胺薄膜和玻璃纤维层压材料构成的柔性毯基板可称为柔性板(见图2)；半刚性基板结构是介于刚性基板和柔性基板之间的一种结构，用碳纤维复合材料构成刚性框架，刚性框架之间采用蜂窝夹层结构(见图3)；铝面板和蜂窝夹层结构基板可称为是刚性板(见图4)。刚性太阳能电池板在空间展开，不额外占用卫星本体的位置布局，尤其是在收藏时也能提供一些功率，具有结构简单、刚度大等优点，其主要缺点是质量和收拢后的体积大，是目前国内外常用的基板结构。半刚性基板质量轻、散热好，但结构复杂，容易变形。柔性太阳能电池板在装卸和试验期间很可能损坏玻璃盖片和太阳电池，且在收藏时不能提供功率，制造复杂，可靠性不及半刚性和刚性太阳能电池板[3～5]。综合考虑，本文设计了一种半刚性太阳电池阵基板结构，其将一种具有加强区域栅格状碳纤维蒙皮柔性结构运用于刚性板的设计中，为太阳翼基板提供了高刚重比。

  

图1 太阳电池阵基板结构形式

 

Fig.1 Solar array wing substrate structure

  

图2 柔性基板

 

Fig.2 Flexible substrate

  

图3 半刚性基板

 

Fig.3 Semi-rigid substrate

  

图4 刚性基板

 

Fig.4 Rigid substrate

1.2 太阳电池阵基板结构设计

目前，国内外主要应用的太阳电池阵基板结构为[6]：“铝蜂窝芯子+碳纤维矩形围框+碳纤维复合材料蒙皮+聚酰亚胺薄膜”，碳纤维复合材料围框制作刚性构架，刚性构架之间用铝蜂窝芯子、栅格状的碳纤维蒙皮及Kapton纤维增强的聚酰亚胺薄膜材料填充。传统太阳电池阵基板虽可提供足够的刚度，保证太阳电池片不受损伤，为卫星在轨正常飞行提供能源，但若用于复杂航天任务要求的中、小型卫星，却在高刚度、轻质量、小体积等性能方面显得不足。

从这个意义上说，“困境儿童”的概念，比较好地反映了儿童权利的理论。儿童面临的任何生存和发展性困难，都和儿童个体没有关系，都是环境造成的。我们如果能够对儿童和家庭提供有效的支持，所有的儿童都可以健康成长，实现他们的潜力。

太阳电池阵基板结构如图5所示，该结构由“铝蜂窝芯子+碳纤维”C型“围框+具有加强区域栅格状碳纤维蒙皮+聚酰亚胺薄膜”构成。其优点在于加强区域的栅格状碳纤维复合材料蒙皮结构能为太阳电池阵基板提供轻质量、高刚度、高稳定性、高可靠性，且其工艺制造方法成熟、尺寸稳定性好。

  

图5 太阳电池阵基板结构

 

Fig.5 Solar wing substrate structure

随着航天科技的进步，特别是近几年中、小卫星在航天领域愈发突显其广阔的应用前景，其以轻质量、小体积、高可靠性及高稳定性为主要发展趋势。因此，需要引入新的太阳电池阵基板结构来满足任务需求。

考虑到外太空的紫外辐照产生的紫外线侵蚀，蒙皮材料由树脂基碳纤维复合材料(CFRP)构成。CFRP具有极小的热膨胀系数、很高的比强度、比弹性模量及其物理、力学性能的可设计性[7]，完全满足蒙皮结构设计要求。

太阳电池阵基板刚度特性提高最有效的方法就是在蒙皮结构的压紧点位置及展开机构连接位置设置加强区域。为了验证其加强区域结构形式对太阳电池阵基板刚度特性的贡献，对碳纤维蒙皮铺层厚度、铺层角度、铺层顺序、各角度铺层比例等方面进行设计。由于单向纤维在纤维方向上的强度和刚度达到最大，但在垂直纤维方向上的强度和刚度却非常小，蒙皮结构整体设计为[0°/90°]栅格状对称结构，栅格尺寸为6 mm×6 mm、栅格梗丝宽度为2 mm。加强区域设计为[0°/90°] 或者[0°/±45°/90°] 栅格状对称结构，栅格尺寸为2 mm×2 mm，栅格梗丝宽度为2 mm，其结构设计方案见表1。一方面，此结构形式的蒙皮可保证基板在收拢状态具有较高的基频；另一方面，栅格状的蒙皮结构有利于太阳电池阵工作期间的散热。太阳电池阵基板蒙皮结构如图6所示。图6中，栅格尺寸为a×a、栅格梗丝宽度为b。

 

表1 太阳电池阵基板蒙皮结构设计方案

 

Table 1 Structure design of solar array wing substrate envelope

  

名称铺层铺层厚度/mm加强区域铺层铺层厚度/mm方案一[0°/90°]0.2[0°/90°]20.2方案二[0°/90°]0.2[0°/±45°/90°]0.4

太阳电池阵基板的四周由围框构成一个框架，框架能有效地为基板提供强度和刚度。传统太阳翼基板的围框采用矩形碳纤维管。为了提升太阳翼基板的性能，实现轻质量采用“C型”围框结构，并按[±45°]的方向缠绕成型，这种形式的碳纤维围框可最大限度地提高基板的刚重比。“C型”围框结构如图7所示。

2组非小细胞肺癌患者近期疗效见表1。2组近期疗效差异有统计学意义(Z=-3.578，P=0.000)。联合用药组对肺癌的控制率为74.44%，显著高于吉西他滨组的46.67%(χ2=15.253，P=0.000)。

  

(a)方案一

  

(b)方案二

 

图6 太阳电池阵基板蒙皮

 

Fig.6 Solar wing substrate envelope

1.2.3 铝蜂窝芯子

栅格的结构形式与蒙皮的刚度和强度密切相关，方案一和方案二都能够改善太阳电池阵基板力学性能，增大太阳电池阵的散热空间，为太阳电池阵提供可靠的基体。但方案一和方案二在满足相同的刚度特性时，方案一在轻量化、小体积等性能方面突显出其优势，足以满足中、小型卫星太阳电池阵的发展需求。

朱以撒[11]认为碑学勃兴于清代帖学之弊：①清代书法效仿对象的变化;②帖学受制于帝王的导向;③“阁体”审美标准的确立致使许多欲仕书家不能展现自己的创造才华。尽管清代刻帖又有进展，但对清代书坛的衰落已毫无补救。书坛需要另辟蹊径寻找活力，用新的观念、方法来挽救它的衰落，这样的历史条件孕育了碑学的兴盛。

  

图7 “C型”围框

 

Fig.7 “C-type” frame

1.2.2 “C型”围框

s.t.gi(X)≤0

太阳电池阵基板结构进行优化时，铝蜂窝芯子的结构优化较小，但针对不同的卫星飞行需求，铝蜂窝芯子设计时，一方面，需要考虑重量及太阳电池阵收纳尺寸等因素；另一方面，需要考虑太阳电池阵的效率。由于铝蜂窝芯子的高度既影响太阳电池阵的输出功率，又影响基板的刚度，太阳电池阵的效率是工作温度和带点粒子辐射的函数，而基板的高度(主要是铝蜂窝芯子的高度)直接影响这两个因素[3]。铝蜂窝芯子高度越低、基板越薄、基板刚度越弱；铝蜂窝芯子高度越低、温度越高、辐射保护就少，这使得电压电池输出越低。因此，针对不同航天任务的需求，选择合适的铝蜂窝芯子结构尺寸。

为了太阳电池阵基板满足轻质量、高刚度、高稳定性的任务需求，从而设计了一种具有加强区域栅格状碳纤维复合材料蒙皮结构，该结构能改善太阳电池阵基板的刚重比。对蒙皮结构的设计及优化具有一定技术难度，该结构也是改善太阳电池阵基板性能的关键技术。

2 实例验证

依据拓扑优化的结果，获知了蒙皮加强区域的范围，并结合ANSYS有限元优化设计模块的数学模型，对蒙皮梗丝宽度和栅格尺寸进行优化，数学模型为[10]

  

图8 拓扑优化流程

 

Fig.8 Topology optimization process

基于Ansys有限元拓扑优化模块，对蒙皮结构进行拓扑优化，以基板收拢基频最大为目标函数(TOFREQ)，以体积最小为约束条件(TOVAR)，通过设计变量给每个有限元的单元赋予内部伪密度来实现。拓扑优化最终获得蒙皮拓扑形状如图9所示。

  

图9 蒙皮拓扑形状图

 

Fig.9 Topological shape of the envelope

本文采用CAE的基本手段——有限元法与优化技术有机地结合[9]，对太阳电池阵基板结构进行优化设计。将有限元法与拓扑优化方法[8]相结合，对太阳电池阵基板蒙皮结构进行优化设计，太阳电池阵基板蒙皮结构拓扑优化具体流程[9]见图8。

min(f(X))

4月21日下午，水利部部长、部抗震救灾领导小组组长陈雷主持召开水利部抗震救灾领导小组第三次全体会议，传达贯彻国务院抗震救灾总指挥部有关会议精神和回良玉副总理讲话精神，对水利设施应急修复和灾后重建工作进行部署。

hj(X)=0

在供应链集成环境下物资供应段应严格把控物料的到货周期。在与供应商签订年度协议时要求供应商在协议中明确物料的最迟到货周期与正常到货周期，并在协议中明确到货延迟的惩罚机制，由物资供应段按月度统计核算并要求供应商执行。惩罚机制的建立与实施能够从源头上督促供应商防范物料供应不及时现象的出现，同时，物资供应段通过执行该惩罚机制所获取的收入将会用于完善整条供应链体系，使双方从协议条款中受益，保证了供应商的执行力。

X=(x1，x2，x3，…，xn)

式中 f(X)为目标函数；X为设计变量；gi(X)、hj(X)为约束条件。

结构优化所要达到的数学运算目标是求取合适的设计变量，使得目标函数值最小。因此，其数学解释可转换为寻求最优解的过程。此数学模型可表达为：目标函数(OBJ)是基板收拢基频，设计变量(DJ)是栅格尺寸和梗丝宽度，状态变量(VJ)是基板重量。在此基础上，完成对太阳电池阵基板刚度特性的分析计算，获得了太阳电池阵基板收拢状态下蒙皮结构尺寸的最优解，优化分析结果见表2。ANSYS有限元法建立了太阳电池阵基板收拢状态有限元模型，如图10所示。

 

表2 优化结果

 

Table 2 The optimization results

  

名称栅格宽度b/mm栅格尺寸a×a/mm加强区域栅格梗丝宽度b/mm栅格尺寸a×a/mm基板质量/kg基板收拢基频/Hz优化后太阳电池阵基板结构26×622×28.5568 传统太阳电池阵基板结构26×6——8.5160

  

图10 太阳电池阵基板收拢状态有限元模型

 

Fig.10 The folded finite element model of the solar wing substrate

优化结果表明，在压紧点位置及展开机构连接位置设置蒙皮加强区域，加强区域的范围、栅格尺寸和栅格梗丝宽度的变化都会影响太阳电池阵基板的性能。优化后太阳电池阵基板比传统太阳电池阵基板在收拢基频上大幅提高13.3%时，质量基本保持不变。反之，传统太阳电池阵基板要与优化后太阳阵基板保持相同收拢基频的条件下，传统太阳电池阵基板的质量将会大幅增加，故此蒙皮结构能够显著改善太阳电池阵基板的性能。传统与优化后的太阳电池阵基板收拢基频见图11。

该优化后太阳电池阵基板正式在轨飞行，在轨性能良好。

  

(a)传统

  

(b)优化后

 

图11 传统与优化后太阳电池阵基板收拢基频

 

Fig.11 Folded frequency of the traditional and optimized solar wing substrate

3 结论

有加强区域碳纤维栅格蒙皮结构的太阳电池阵基板，有效改善了传统基板在刚度、质量等方面的性能。在质量基本保持不变的前提下，可大幅度提高太阳电池阵基板收拢基频。可应用于中、小型卫星复杂航天任务，进一步提高了太阳电池阵基板在轨运行的可靠性、安全性和稳定性，扩展了可应用航天任务的范围。

参考文献：

[1] 刘志全,杨淑利,濮海玲.空间太阳电池阵的发展现状及趋势[J].航天器工程,2012(6):112.

[2] 吴嘉宁,阎绍泽.航天器太阳电池阵的演变与创新设计[J].机械设计,2009,29(增刊):41-43.

[3] Solar Cell Array Design Handbooks[P].Vol.1,N77-14193,6.2-1.

[4] Jones P A,Spence B R.Spence,spacecraft solar array technology trends[J].IEEE Aerospace & Electronic Systems Magazine,2011,26(8):17-28.

[5] Kitamura T,Yamashiro K,Obata A,et al.Development of a high stiffness extendible and retractable mast ‘HIMAT’ for space applications[C]//Structures,Structural Dynamics and Materials Conference,2013.

[6] Allard Ira L.Process for fabricating lightweight,rigid solar array substrate[P].U S 4554038.1985.

[7] 韩红波,王立勇.树脂基碳纤维复合材料栅格天线反射面制造技术[J].电子机械工程,2007(5):41.

[8] Ye H,Zhang Y,Li Y,et al.Dynamic topology optimization of continuum structure by using independent continuous mapping method[C]//10th Word Congress on Structure and Multidisnary Optimization,May 20-24,2013,Orlando Florida,USA.

[9] 钱令希.工程结构优化设计[M].北京：水利电力出版社,1983.

[10] 邓凡平.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社,2009:243-244.