Material considerations in the STEREO solar array design

Solar TErrestrial RElations Observatory (STEREO), the third mission in NASA's Solar Terrestrial Probes program, launched aboard a single Delta II 7925 launch vehicle on October 25, 2006 from Cape Canaveral. This two-year mission employs two nearly-identical, space-based observatories, one ahead of the Earth in its orbit, and the other trailing behind, to provide the first stereoscopic measurements of the sun and its coronal mass ejections, or CMEs. The STEREO observatories utilize four sets of solar arrays, each of which experienced a two-stage deployment on-orbit. This paper illustrates material considerations in the solar array subsystem design. It first focuses on the solar array substrate, considering material coefficient of thermal expansion (CTE) concerns when choosing a substrate laminate to which the solar cells will adhere. It then explores a similar issue when choosing a substrate insert material. Next, the focus shifts to material considerations in the solar array hinge design. This design was driven not just by function, but by a host of different material considerations, ranging from mass savings to fabrication time and cost.     

大型太阳电池阵模态试验方法

在大型太阳电池阵的研制阶段,需要进行大量模态试验以掌握结构的固有动态特性,进而指导设计和修正有限元模型。文章以大型太阳电池阵为研究对象,分别采用气浮方式和悬挂方式模拟自由边界条件,使用预紧力释放、MB大推力激振器和APS大位移激振器3种激励方法对其进行试验,并对各种模态试验方法所获取的试验结果进行了分析比较。研究表明:采用悬挂方式比采用气浮方式所测得的太阳电池阵侧摆频率更为准确;获取太阳电池阵模态参数行之有效的方法是先采用预紧力释放法得到固有频率,然后采用APS激振器激励方法得到振型;激振器激振杆横向刚度选择不当会影响模态测试结果,需选用横向刚度较小的柔性激振杆。     

柔性印制膜在太阳电池阵的应用及热适应性试验研究

针对微小卫星太阳电池阵高体积比的功率需求,设计了带柔性印制电路（FPC）的太阳电池阵。该太阳电池阵将太阳电池、FPC与基板集成为一体,具有厚度薄、质量小等优点。通过热循环试验对其环境适应性进行考核,X射线检测结果表明,太阳电池阵上锡焊焊盘与覆铜层连接部位受热应力的影响较大,在长期高低温循环条件下存在锡焊焊盘与覆铜层断裂的风险。为此,给出提升太阳电池阵上FPC抗热形变能力的设计建议,以期为后续太阳电池阵设计提供参考。     

太阳电池阵锁定冲击试验方法

为了研究太阳电池阵展开到位时产生的锁定冲击对卫星本体或驱动机构等装置的影响,需要对冲击力矩的大小进行测试。文章通过锁定冲击试验对锁定瞬间太阳电池阵根部产生的应变进行采集;然后对试验数据进行分析、处理,获取了太阳电池阵到位锁定时的冲击力矩,并将试验值与仿真分析的结果进行比对,证明了该试验方法的有效性;最后针对卫星在轨运行环境与地面试验环境的差异,提出了试验改进措施。     

应用于立方星的剪叉式可展开太阳电池阵机构

立方星在轨任务期间的能源供给主要依靠蓄电池或体装太阳能电池阵。随着微小航天器技术的发展,立方星功能密度越来越大,星上载荷对功率的需求越来越高,传统的电池板供能方式已很难满足未来空间任务需求。另外,立方星因其特有的尺寸规范和标准,对电池阵的收纳尺寸和展开机构也有特殊应用需求。基于上述背景和立方星的结构特点,设计了一种展开原理简单、扩展性好、折展比大的一维剪叉式空间可展开机构,进行了原理样机的加工制造和地面展开试验,验证了机构设计的功能可行性以及设计参数的合理性。机构展开后阵列发电功率是传统供能方式的3~5倍,且特殊的几何外形可提供被动重力梯度稳定优势,在提升未来立方星载荷能力方面有重要应用价值。     

太阳电池阵新型互连片微连接技术探讨

太阳电池阵由多个太阳电池单体串并联组成,焊接部位多,因此电池电路的互连成为其可靠性的制约因素。文章通过分析太阳电池阵新型互连片焊接影响因素,并进行焊接工艺试验验证,摸索出新型互连片的焊接参数,满足太阳电池焊接强度要求,为航天器的长寿命设计提供参考。     

地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究

地球同步轨道(GEO)高压太阳电池阵表面静电放电(ESD)引起二次放电可能导致太阳电池阵永久性短路损坏。文章主要针对GEO高压太阳电池阵充放电效应问题,重点分析了高压太阳电池阵表面ESD和二次放电产生的物理过程,并利用负高压偏置方法开展了GEO高压太阳电池阵表面ESD和二次放电地面模拟试验。试验验证了反转电位梯度电场是导致GEO高压太阳电池阵表面产生ESD的触发因素之一,同时得到了GaAs高压太阳电池阵样品表面产生ESD和二次放电的电压阈值。     

太阳电池阵运输过程的振动环境及可靠性分析

文章分析了一些卫星的太阳电池阵运输数据,结果表明:空中运输和铁路运输的环境优于公路运输环境;运输振动响应主要为低频振动且量级较小,其水平向振动响应明显小于竖直向响应;运输振动响应受路况和车速影响较大;不同减振器的隔振效果不尽相同;太阳电池阵单独运输和装星运输的振动响应量级基本相当。经可靠性分析,运输不会对太阳电池阵产生疲劳损伤。     

高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性研究

研究高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性,有助于深入了解太阳电池阵充放电形成机制。在试验中,利用电子枪模拟GEO空间带电环境,辐照太阳电池样品表面。利用电流探头CT-2、单极子天线和数字存储示波器测量静电放电所产生的脉冲电流、辐射电场并记录其波形。试验结果表明:太阳电池在静电放电过程中产生了脉冲宽度为几μs的瞬态电流,其峰值幅度为几A;辐射电场的脉冲信号持续时间几百ns至几个μs,其峰值幅度达数百V/m。脉冲信号的时域特征表现为脉冲群,其波形具有陡峭的前沿,能量分布的频率范围主要集中在0.1~50 MHz之间。最后根据上述研究对在轨静电放电测试仪的设计提出建议。     

太阳电池阵铰链机构刚度等效方法

组成铰链机构的各铰链均为可活动的部件,给太阳电池阵的建模和分析带来很大难度。文章采取试验测定铰链机构刚度并直接代入太阳电池阵有限元模型的方法,通过与试验对比,确定等效的铰链机构刚度值,可大大提高太阳电池阵的建模和分析的精度     

Space solar array reliability: A study and recommendations

Providing reliable power over the anticipated mission life is critical to all satellites; therefore solar arrays are one of the most vital links to satellite mission success. Furthermore, solar arrays are exposed to the harshest environment of virtually any satellite component. In the past 10 years 117 satellite solar array anomalies have been recorded with 12 resulting in total satellite failure. Through an in-depth analysis of satellite anomalies listed in the Airclaim's Ascend SpaceTrak database, it is clear that solar array reliability is a serious, industry-wide issue. Solar array reliability directly affects the cost of future satellites through increased insurance premiums and a lack of confidence by investors. Recommendations for improving reliability through careful ground testing, standardization of testing procedures such as the emerging AIAA standards, and data sharing across the industry will be discussed. The benefits of creating a certified module and array testing facility that would certify in-space reliability will also be briefly examined. Solar array reliability is an issue that must be addressed to both reduce costs and ensure continued viability of the commercial and government assets on orbit.     

空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析

空间原子氧是危害低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对包括太阳电池阵在内的航天器外表面暴露材料和组件造成危害。文章分析了某载人航天器在轨原子氧环境、原子氧对不同结构太阳电池阵所用材料的影响以及对太阳电池阵组件电性能的影响,结果表明原子氧对材料的作用能够引起太阳电池阵基板强度降低、电连接可靠性下降及电缆线护套失效等风险,材料的损伤会导致太阳电池组件电性能的下降。鉴于以上结果,作者建议在今后LEO长寿命航天器太阳电池阵研制中,应对原子氧环境条件进行详细设计;同时开展组件级试验,以对电池阵原子氧防护设计的有效性进行验证。     

小卫星太阳电池阵结构声振响应分析研究

针对高频段太阳电池阵结构声振问题求解中的结构模态参数不确定性,文章从统计模态和能量平衡的角度出发,深入研究了复合材料面板太阳电池阵夹层结构的统计能量分析参数确定及功率流模型创建方法,并快速得到了太阳电池夹层结构的声振响应。对比分析与试验结果,发现二者吻合很好,因而验证了该声振响应分析方法用于小卫星太阳电池阵结构的有效性,并可作为小卫星工程研制中太阳电池阵结构动力学分析的有益补充。     

Space solar array reliability: A study and recommendations

Providing reliable power over the anticipated mission life is critical to all satellites; therefore solar arrays are one of the most vital links to satellite mission success. Furthermore, solar arrays are exposed to the harshest environment of virtually any satellite component. In the past 10 years 117 satellite solar array anomalies have been recorded with 12 resulting in total satellite failure. Through an in-depth analysis of satellite anomalies listed in the Airclaim's Ascend SpaceTrak database, it is clear that solar array reliability is a serious, industry-wide issue. Solar array reliability directly affects the cost of future satellites through increased insurance premiums and a lack of confidence by investors. Recommendations for improving reliability through careful ground testing, standardization of testing procedures such as the emerging AIAA standards, and data sharing across the industry will be discussed. The benefits of creating a certified module and array testing facility that would certify in-space reliability will also be briefly examined. Solar array reliability is an issue that must be addressed to both reduce costs and ensure continued viability of the commercial and government assets on orbit.     

预估太阳电池阵在轨最高温度的经验公式

针对距地高度为300～1000 km的太阳同步轨道,分析了一维转动展开式太阳电池阵的温度影响因素,给出了计算太阳电池阵最高温度的经验公式。此公式同样适用于低地球轨道的卫星,且计算结果可包络卫星热控状态变化带来的影响,在太阳电池阵设计阶段可为电源分系统提供太阳电池阵最高温度的初步数据。     

九宫格超弹太阳池阵列折展性能仿真与优化

弹性铰链是一种自驱动柔性机构。其只依赖折叠时储存的弹性能量,并在展开时自然释放,不需要部署外部能源。弹性铰链具有重复性高、精度高、轻质、能耗低等优点,因而被广泛应用于航天领域。文章针对不同组合形式弹性铰链展开状态的稳定性问题,基于压杆稳定理论,建立对向单层弹性铰链的峰值力矩模型,分析其屈曲失稳情况,进而有效估计出空间折展机构抵抗外界载荷的能力。采用ABAQUS建立弹性铰链的有限元模型,以此来准确描述其折展特性。利用全因子实验设计方法对样本点进行实验规划,进而建立可描述铰链折展特性的数学代理模型,并以簧片间距离及中心角为变量对弹性铰链进行优化设计,得到使弹性铰链机构具有较大弯曲力矩以及较小最大收展应力的最佳结构参数为中心角76°,簧片间距离Se为16.2mm。     

一种宽带阵列通道均衡器设计

从基本FIR均衡器的原理出发,讨论了校正源的设置方法和均衡器系数的计算方法.为了适应宽带阵列中高速信号处理的要求,探讨了一种经典的FIR均衡器时域高速实现方法.该时域实现虽然结构简单,但在滤波器阶数较高时需要大量的乘法资源.为了降低均衡器对乘法资源的需求,借鉴快速卷积的实现方法,提出了一种基于快速傅里叶变换的高速率均衡器实现方法.与时域方法相比,该方法在滤波器阶数大于32时能明显降低对乘法资源的损耗.对实测数据的分析,验证了该方法的正确性.     

Ka频段有源瓦片天线的设计

有源相控阵天线广泛应用于弹载、星载、舰载、机载雷达及电子对抗、汽车自动驾驶等领域。按照T/R组件和天线的集成方式不同,相控阵天线分为瓦片式结构和砖块式结构。传统的砖式结构,多路合成体积过大、损耗过高且造价昂贵,采用微组装工艺生产,量产良品率低。介绍了一种瓦片式有源天线,给出了天线样机的典型性能指标,工艺实现简单,具有轻型化、小型化、低成本及高可靠等特点。针对瓦片天线设计中的难点、垂直互联技术和复杂的馈电网络,结合理论分析进行了仿真设计。为了验证相控阵天线的性能,在微波暗室对天线进行了测试。测试结果表明,设计的瓦片天线法向EIRP>31dBW,G/T>-4dB/K,扫描至45°时EIRP>29dBW,G/T>-6dB/K,发射状态功耗小于10W,接收状态功耗小于6W。