空间柔性太阳电池阵发展现状及趋势

从3个方面分析空间柔性太阳电池阵的发展现状,包括折叠式、卷绕式柔性太阳电池阵总体构型的发展历程;铰接桁架式、折纸式、充气式、形状记忆材料、薄壁管状及圆周展开机构6种伸展机构的特点及应用情况;硅电池片、砷化镓电池片、柔性薄膜电池片及聚光太阳电池片等常用电池片材料性能的发展现状。指出面对未来空间柔性太阳电池阵大尺寸、高功率、模块化的发展需求,采用薄壁管状伸展臂及多结砷化镓薄膜电池片的卷绕式柔性太阳电池阵在质量、功率、收拢体积及成本上达成了较好的平衡,是未来的发展趋势,在此基础上,对未来空间柔性太阳电池阵重点研究方向进行了展望。     

空间太阳电池阵的发展现状及趋势

从四方面分析了空间太阳电池阵的发展现状,包括体装式、带桨展开式、单板展开式、多板展开式、柔性多模块多维展开式等总体构型的发展历程,常用太阳电池片如硅电池片、砷化镓电池片、柔性薄膜电池片的材料与性能的发展现状,刚性基板结构、半刚性基板结构、柔性基板结构的发展与应用及五种展开机构的特点与空间应用分析,论述了空间太阳电池阵发展的制约因素,指出了聚光型柔性太阳电池阵是未来空间太阳电池阵发展的趋势,旨在促进空间太阳电池阵向着大尺寸、大功率、模块化、低成本和轻质量的方向发展,以适应大功率航天器的发展需求。     

电磁超材料在超宽带雷达隐身微小卫星设计中的应用

针对微小卫星在雷达频段面临的宽带隐身问题,提出利用电磁超材料实现卫星隐身的设计方案,该方案包括两种不同类型的电磁超材料雷达吸波体。其中多层结构超宽带吸波体利用高阻表面设计耦合型吸波结构,适用于微小卫星星体及太阳能电池阵背光面,工作频带覆盖S、C、X、Ku频段;透光型混合结构宽带吸波体利用高透光的氧化铟锡设计吸波结构,适用于卫星电池阵受光面,隐身频带覆盖X、Ku频段。样件及整星的仿真和实验结果表明,电磁超材料构建的雷达吸波体可以实现超宽频带电磁波的有效吸收。将该材料应用于微小卫星的设计中,可以达到卫星整星RCS缩减的目的。该材料不论是机械强度、密度、透光性,还是抗原子氧剥蚀能力都具备潜在的工程应用价值。     

火星表面环境对太阳电池阵设计影响分析与对策

通过调研与分析NASA火星表面探测任务获取的火星表面光照、温度、尘埃等数据,从光强、光谱、直射光与散射光等方面分析了火星表面光照条件对三结砷化镓太阳电池伏安特性的影响,以及火星尘埃对太阳电池输出功率的影响。从降低光谱失配和减小尘埃影响的角度,提出了火星光谱匹配太阳电池和太阳电池阵尘埃防护设计思路,以提升三结砷化镓太阳电池在火星表面的发电能力和生存能力,可为我国火星表面探测任务太阳电池阵优化设计提供参考。     

月尘累积对太阳电池阵电帘除尘效率影响的实验研究

月尘在月球探测器太阳电池阵表面的累积将会导致其输出功率下降甚至功能失效。近年来,电帘除尘方法被认为是月尘清除防护的有效手段。文章实验研究了月尘累积对三结砷化镓太阳电池性能影响,拟合得到了月尘累积质量与太阳电池相对输出功率的数学模型;利用电帘除尘装置,研究了不同月尘累积质量下电帘的除尘效率。研究结果表明,6 mg/cm2月尘累积质量是太阳电池阵电帘除尘装置启动的最佳工作条件。该研究成果可为开发具有自适应除尘能力的太阳电池阵提供技术支持。     

三结砷化镓太阳电池真空连续激光损伤效应

采用1 315 nm波长连续激光,在真空环境下辐照三结砷化镓太阳电池,通过对比辐照前后电池IV、QE等表征数据,研究三结砷化镓太阳电池的损伤效应,并对其损伤机理进行分析。结果表明:当激光功率密度为8 W/cm~2、辐照时间为60 s时,三结砷化镓太阳电池辐照后电性能下降显著,转化效率衰降超过70%。损伤机理是在热损伤与应力损伤的综合作用下,引起电池串联电阻(R_s)、并联电阻(R_(sh))的恶化,且Rsh是衡量电池损坏的关键指标。该结果可以为三结砷化镓太阳电池在激光损伤机理与无线能量传输方面的研究提供一定的参考。     

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。     

四结砷化镓太阳电池电路可靠性设计及验证技术研究

四结砷化镓太阳电池在半刚性太阳翼上应用,需要满足长寿命高可靠要求,文章针对新型太阳电池片在轨应用的空间环境适应性考核验证问题,开展了四结砷化镓太阳电池小板试验验证,对试验方案及数据结果进行了分析说明.通过对热、静电放电、辐照的分析及试验,结果表明:四结砷化镓太阳电池可以满足半刚性太阳翼长寿命高可靠应用的要求,相关试验验证情况将为后续四结砷化镓太阳电池在卫星半刚性太阳翼大范围的工程应用提供参考.     

三结砷化镓太阳电池锂离子蓄电池的小卫星电源分系统仿真模型研究

目前,小卫星电源分系统大多采用太阳电池阵 蓄电池组的联合供电模式。三结砷化镓太阳电池凭借高转换率、高可靠性的优势,已广泛用作小卫星在光照区运行的唯一供电单元;锂离子蓄电池的长寿命、高能量密度特性,也使其逐步替代镉镍、氢镍电池作为小卫星的储能单元。文章通过分析某小卫星的三结砷化镓太阳电池、锂离子蓄电池组的数学模型和电源控制器的逻辑模型,结合在轨运行的温度、光照及衰减情况,建立电源分系统的SIMULINK仿真模型,得到仿真曲线,并将仿真数据与星上遥测数据对比。研究结果表明,在忽略入影、出影时太阳反照使得温度骤变的情况下,该小卫星的遥测值与模型的仿真结果相符,表明该仿真模型真实有效。     

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。     

LEO航天器高压大功率太阳电池阵静电放电试验与分析

为了避免低地球轨道(LEO)航天器的高压大功率太阳电池阵与等离子体相互作用而发生静电放电(ESD)现象,导致太阳电池阵弧光放电引起太阳电池阵失效,须要确定高压大功率太阳电池阵产生一次放电和二次放电的电压阈值。文章模拟LEO真空等离子环境,采用刚性基板三结砷化镓太阳电池试件,试验研究了LEO条件下发生一次放电和二次放电的电压阈值。试验结果表明:试件发生一次放电的电压阈值为95V;在提高电池串间隙时,发生二次放电的电压阈值由120V提高到145V。分析一次放电和二次放电的产生原因可知:一次放电主要发生在三交结区;二次放电是由电子轰击产生的,2.0mm间隙可以有效提高二次放电电压阈值。此研究结果可为LEO高压大功率太阳电池阵的设计提供参考。     

阵列天线耦合抑制技术研究

随着雷达装备的发展,对天线阵带宽、小型化和波束扫描性能的要求越来越高.天线阵阵元间距减小时,阵元间互耦随之变大,制约了天线阵波束扫描.分析了一种工作于P波段的阵列天线,在保持阵元结构不变的情况下,组成4×4的平面阵,并用EBG、平面吸波器和极化栅分别设计了耦合抑制结构.利用仿真软件HFSS对阵列进行全波分析,仿真结果表...     

LEO航天器高压太阳电池阵静电放电试验研究

低地球轨道(LEO)航天器高压太阳电池阵存在与等离子体相互作用发生静电放电(ESD)导致其失效的风险,需要确定产生一次放电和二次放电的电压阈值并采取相应的防护措施。文章模拟LEO等离子体环境,采用刚性基板三结砷化镓太阳电池试验件,试验研究了LEO条件下高压太阳电池阵在无防护与涂胶防护状态下发生一次放电和二次放电的电压阈值。在太阳电池组件同样并联间隙情况下,试验结果表明:无防护试验件发生一次放电的电压阈值为110 V,涂胶防护试验件发生一次放电的电压阈值为120 V;太阳电池电路通0.83 A电流,无防护试验件发生二次放电的电压阈值为150 V,涂胶防护试验件发生二次放电的电压阈值为160 V。因此,在设计高压太阳电池阵时,建议合理控制相邻太阳电池串之间的电压差和并联间隙,以及采用在相邻太阳电池串之间涂敷硅橡胶等措施,以有效控制太阳电池阵静电放电的发生。     

发电-储能一体化柔性电源系统结构热特性仿真研究

基于柔性薄膜砷化镓(GaAs)太阳电池、全固态薄膜锂电池(TFB)和柔性管理电路组成的发电-储能结构一体化电源系统,可以用作便携式应急电源,也可与无人飞行器、便捷式电子设备、无线传感网络节点等结合,实现自身能源的闭合供给,满足相关装备对电能源全天候、长时间、模块化等多样化应用的需求。但在实际工作中,系统的电转化效率只有30%左右,大部分太阳光的能量经太阳电池吸收后会转化成热,TFB在充电过程中也会发热。电源系统中,柔性太阳电池和TFB采用键合的方式结合,由于薄膜各层材料的热膨胀系数不同,产生的热量会在电源系统内部导致热应力,造成键合材料的分离,甚至破坏整个电源系统。通过计算机模拟柔性电源系统在月球表面环境下的工作状态,建立电源系统结构模型以及热传递数学模型,仿真得到不同结构电源系统工作时的温度场和应力场分布情况,对发电-储能一体化柔性电源系统结构优化和工作状态的掌握具有指导意义。     

创新一号微小卫星电源分系统

介绍了我国第一颗微小卫星创新一号(CX-1)电源分系统的性能、组成、工作原理,以及太阳电池阵、镉镍电池组和电源控制器等的设计和相应参数。分析了设计中采用的三域控制统一母线调节、高效三结砷化镓太阳电池发电和充电V-T曲线智能化控制管理等关键技术。飞行试验结果表明,CX-1卫星电源分系统的性能优良、工作可靠,达到了设计要求。     

高效四结砷化镓太阳电池设计与在轨性能分析

对一种新型反向生长工艺四结砷化镓太阳电池(IMM四结电池)开展了设计和在轨性能试验分析。该电池所用半导体材料的禁带宽度分别为1.9、1.4、1.0、0.7 eV,材料特性的变化改善了4个P-N结与AM0太阳光谱的匹配关系。文章介绍了该电池在提高光电转换效率方面的结构和工艺设计,通过实施在轨真实应用环境试验,全面系统获取四结砷化镓太阳电池在轨运行期间的遥测数据并进行分析处理,结果显示电池开路电压3.321 V,短路电流密度15.76 mA/cm2,实际在轨转换效率在34.44%～34.79%之间,各项关键性能指标相较于三结砷化镓太阳电池有大幅度提高。     

一种航天器太阳电池阵共形天线研究

共形天线具有与载体结构浑然一体的特点,不仅能够减少天线数量,而且利于优化总体结构。在分析航天器太阳电池阵结构的基础上,结合共形天线特点,提出了航天器太阳电池阵共形天线结构设计的问题。文章定义了太阳电池阵共形天线的概念,开展了共形天线承载面、总体结构、阵元结构、阵元馈线、进出航天器信号传输线,以及波束控制网络等研究与设计,并以S、X双频段阵元结构为例进行了共形天线的电气性能仿真验证。仿真结果表明,在航天器太阳电池阵上实现共形天线不仅是可行的,且具有较高的工程应用价值和广阔的应用前景。     

UltraFlex太阳电池阵的结构优化

以提高圆形太阳电池阵的展开过程稳定性和固有频率为优化目标,以UltraFlex太阳电池阵为模型,采用有限元软件SAMCEF对其进行结构优化。以承重梁材料、斜梁开口高度、斜梁位置、梁截面高度及厚度5种结构参数为优化变量,进行了多种工况的展开动力学仿真和模态计算。经分析发现,结构展开后期太阳毯与支撑梁拉扯会导致支撑梁剪切应力激增;梁材料、斜梁位置与支撑梁截面高度对太阳电池阵的展开过程稳定性影响较大;当梁材料为碳纤维,斜梁位置为1100 mm,梁截面高度为20 mm时,展开过程稳定性最好;斜梁位置和承重梁截面厚度对结构固有频率影响较大;当斜梁位置为900 mm或1100 mm、承重梁截面厚度从3 mm增至3.5 mm时,系统固有频率涨幅最大,由此带来的质量增加可以接受。     

航天器太阳电池阵列的发展历程

电源系统是航天器的重要组成部分.航天器电源系统主要有三种类型,化学电池、核电源和太阳电池阵列,而太阳能是航天器系统广泛应用的能源.太阳电池阵列是将太阳能转换成电能的装置,它像翅膀一样在航天器的两边展开,所以又称太阳翼.太阳翼上贴有半导体材料,如掺有5价磷和3价硼元素的硅片,常用的半导体材料还有单结砷化镓和三结砷化镓.太阳电池阵列靠这些半导体材料将太阳能转换成电能.     

用于卫星模拟飞行测试的太阳电池阵动态模拟系统设计

现阶段卫星模拟飞行测试中,太阳电池阵模拟器(SAS)伏安特性曲线数目有限,无法连续动态模拟卫星在轨运行中太阳电池阵实际电能输出情况。为此,基于模拟飞行测试环境,设计太阳电池阵动态模拟系统。该动态模拟系统由电源、控制和测控等测试系统组成。为保证动态模拟系统的高时效性和精确性,对参数实时获取传递、曲线建模计算和功率输出等各环节开展分析。利用某卫星太阳电池阵对动态模拟系统设计进行验证,结果表明系统能精确模拟太阳电池阵伏安曲线和功率输出变化。将仿真结果与实际在轨卫星数据进行比较,结果显示系统可很好地模拟时变太阳电池阵输出特性,证明了动态模拟系统设计对太阳电池阵动态输出模拟的有效性。