空間太陽電池陣應變規律研究

殷茂淑 楊廣 王訓春 范斌 姜德鵬 楊洪東

(上海空間電源研究所,物理電源事業部,上海 200245)

空間太陽電池陣是衛星的唯一供電來源,其在軌服役期間所受的力學作用將直接影響衛星的正常工作,因此研究空間太陽電池陣的應力應變規律具有重要意義.本文自主研制了空間太陽電池陣應變測試系統,該系統可監測空間太陽電池陣在模擬真空熱循環溫度場環境下的應變規律.研究結果表明,空間太陽電池陣在高溫發生壓縮形變,低溫發生拉伸形變.相同測試條件自由電池和粘接電池最大應變總量分別為1270 和1320 με.此外,空間太陽電池片中心區域應變值比邊緣區域高113%.空間太陽電池片斷裂應變值為2080 με.本研究為空間太陽電池陣抗力學性能研究提供了技術支撐.

1 引言

衛星探測器在人類科技進步、探索外太空等科技發展中發揮著重要作用.太陽電池陣是衛星的唯一供電來源,對衛星在軌開展科學研究至關重要[1?5].在軌衛星太陽電池陣面臨空間各種極為惡劣的力學環境[6],如低地球軌道每天近20 次由173—373 K的真空高低溫冷熱交變.而太陽電池陣是由十幾種結構膠接構成的復合材料體,這對太陽電池陣在極端環境下的抗力學性能提出了嚴格要求[7?13].由于空間太陽電池片不具備可維護性,若在軌太陽電池片發生機械碎裂情況極易引發衛星功率輸出降低等問題[14].因此,研究空間太陽電池陣在多應力場條件下的應力應變問題迫在眉捷.

當前,對空間太陽電池陣各層膠接結構應力應變問題的研究不斷深入[15?21].Wang 等[15]利用解析法研究了材料熱膨脹系數對溫度場中太陽電池板最大應力的影響,指出聚酰亞胺薄膜及與其相部的硅橡膠中存在最大應力,選用較低熱膨脹系數的聚酰亞胺薄膜可顯著降低空間太陽電池陣最大應力值.Liu 等[16]以太陽翼在軌運行期間熱變形和熱應力變化規律為研究對象,利用有限元建立電池翼熱變形模型,研究變工況太陽電池翼在軌熱應力和熱變形規律,研究發現,空間太陽電池翼基板制作時選用高導熱系數材料可有效減小熱變形量.Wang 等[17]利用MSC-Marc 軟件研究了熱循環條件下太陽電池板單元結構熱應力分布及演變規律,結果表明該結構在低溫保溫階段的最大正應力及最大剪切應力遠大于高溫保溫階段的最大應力,且太陽電池板最大應力值隨熱循環的增大而增大.

目前,對于空間太陽電池陣應力應變的研究主要集中在理論及建模計算等方面[22?23],而對于空間太陽電池陣在模擬空間熱循環溫度場作用下的實時應變研究卻鮮有報道,這對科研人員在地面研究空間太陽電池陣減應力問題時缺少直接對比數據.因此,本文通過構建空間太陽電池陣應變傳感器測試方法,實現了對空間太陽電池陣在模擬真空熱循環溫度場作用下的應變實時監測,同時獲得了空間太陽電池陣的應變規律以及空間太陽電池片的斷裂應變值.本研究對提升空間太陽電池陣的抗形變能力提供了重要參考依據.

2 實驗內容

2.1 實驗材料

實驗樣品為上海空間電源研究所研制的光電轉化效率為30%空間用砷化鎵太陽電池.選用電池尺寸為40.3 mm×60 mm×0.27 mm.

選用電池的表面使用硅橡膠粘貼抗輻照玻璃蓋片.空間太陽電池通過硅橡膠粘貼在碳纖維鋁蜂窩基板上.

2.2 熱真空循環實驗

熱真空循環實驗使用上海空間電源研究所KM1 熱真空試驗系統.真空度設置為 <1.0×10–3Pa,熱真空循環溫度范圍148—408 K,循環周期1.5 周,高溫和低溫段各保溫120 min.

2.3 應變測試

應變測試使用江蘇東華測試公司DH3820 高速靜態應變數據采集儀.

選用的應變傳感器為中航電測BAB250 系列高溫應變片.選用的膠黏劑為B-711 中航電測常溫固化耐高溫貼片膠.

2.4 應變傳感器原理

應變數據采集是基于測量物體受力變形產生應變,利用應變傳感器將形變信號轉換為電阻變化.通常是將應變傳感器粘合在基體上,當基體受力發生應力變化時,應變傳感器也一起產生形變,使應變片的阻值發生改變,之后將信號傳輸給處理電路顯示.基體發生膨脹時,粘貼在其表面的應變傳感器隨之發生拉伸形變,可采集到正向應變數據;基體發生收縮時,應變傳感器發生壓縮形變,可采集到負向應變數據.

應變傳感器的主體部分由基體材料、金屬應變絲或應變箔、絕緣保護片和引出線等組成,如圖1(a)所示.自主研制的空間太陽電池陣應變測試系統由熱真空試驗系統、太陽模擬燈陣、罐內外數據傳輸系統、應變傳感器、空間太陽電池陣、數據轉換系統組成,如圖1(b)所示.

圖1 (a) 應變傳感器的基本構造;(b)空間太陽電池陣應變測試系統組成Fig.1.(a) Basic structure of a strain sensor;(b) composition of space solar array strain test system.

3 實驗結果與討論

3.1 不同粘接狀態太陽電池應變分析

應變傳感器粘貼示意如圖2(a)所示.熱真空循環實驗全程應變測試系統信號采集電路連接方式如圖2(b)所示,粘貼在太陽電池片上的應變傳感器引出線與空間級導線焊接;焊接完成后所有應變傳感器信號匯總到熱真空罐內電連接器,該電連接器經罐壁上的轉接電纜與罐外電纜連接,罐外電纜與應變采集器相連,采集器對信號進行處理,通過計算機上安裝的軟件輸出應變曲線.

圖2 (a)電池粘貼應變傳感器示意圖;(b)應變信號采集線路連接示意圖;(c)熱真空實驗溫度曲線;(d)空間太陽電池熱真空實驗應變數據,黑色為粘接在太陽翼基板上電池應變數據,紅色為未粘接自由狀態電池應變數據Fig.2.(a) Schematic diagram of strain sensor pasted on a space solar cell;(b) schematic diagram for strain signal collection circuit;(c) temperature curve of thermal vacuum test;(d) strain curves of space solar cell during thermal vacuum test.The black line is strain data for solar cells bonded on the substrate,and the red one for free solar cells not bonded on substrate.

對兩類粘接狀態的空間太陽電池進行了應變采集.兩類電池分別為粘接在太陽翼基板上的太陽電池(簡稱為粘接電池)以及未粘接固定的自由狀態太陽電池(簡稱為自由電池).在模擬空間熱真空環境下,將兩類粘接狀態的空間太陽電池隨環境熱應力場發生的應變情況進行了全程監測和對比.

結合圖2(c)熱真空實驗溫度曲線和圖2(d)空間太陽電池熱真空實驗應變數據,將本次熱真空實驗簡化分為5 個階段,分別為抽真空段(I)、升溫段(II)、降溫段(III)、升溫段(IV)和隨爐冷卻段(V).抽真空段(I),兩類粘接狀態電池迅速由0 降至–200 με 后穩定在–35 με.這是由于罐內氣壓的迅速變化,太陽電池陣中膠粘劑內的殘留氣體被抽走,應變傳感器采集到了變化明顯的壓縮形變;當真空罐內氣壓逐漸減小至10–2—10–3Pa 時,氣壓變化緩慢,應變數據較為平穩.升溫段(II),當罐內溫度由298 K 開始升高時,應變值隨溫度升高發生負向增大,到達高溫408 K 時,兩類粘接狀態電池發生了450 με 壓縮形變.這是由電池各層熱膨脹系數差異所致,頂層抗輻照玻璃蓋片的熱膨脹系數(5.5×10–7K–1)遠遠小于底部的蓋片膠(2.0×10–4K–1)、鍺襯底(6.0×10–6K–1)、以及金屬電極層(1.8×10–5K–1)的熱膨脹系數,因此升溫段能監測到明顯的壓縮形變.當溫度由408 K降低時,兩類電池發生拉伸形變,見降溫段(III).在408—330 K 段平均溫度變化速率為2.2 K/min,電池形變速率大于6.5 με/min.從243—148 K,電池形變速率隨溫度緩慢降低.至148 K 時,拉伸形變達到最大值,粘接電池應變量為870 με,自由電池應變量為820 με.根據Ⅲ段應變值變化趨勢,粘接電池的應變量比自由電池高90—120 με,這極有可能跟粘接電池與鋁蜂窩基板的底片膠在低溫下變脆變硬有關.

在升溫段(IV),溫度由148 K 快速升至408 K,平均溫度變化速率2.6 K/min,兩類電池均發生870—920 με 的收縮應變,該變化原因同升溫段(II).將低溫段與高溫段最大應變絕對值相加,得到實驗全周期兩類電池發生的最大應變總量,自由電池為1270 με,粘接電池為1320 με.第3010 min,熱真空罐停止加熱,進入隨爐冷卻段(V),兩類電池隨溫度降低發生緩慢拉伸形變.由曲線可知,至出罐時自由電池和粘接電池分別發生了194 με 和322 με 的拉伸凈應變.

對熱真空循環實驗前后太陽電池的光電性能進行了測試,如圖3(a)所示.熱真空循環實驗后太陽電池的IV 曲線與實驗前基本重合,空間太陽電池陣未發生力學破壞時,電池的電性能不發生改變.通過熱真空循環實驗,得到兩類空間太陽電池片在真空溫度場下的應變規律,如圖3(b)所示.空間太陽電池在高溫發生壓縮形變,低溫發生拉伸形變,形變速率與溫變速率成正比.從進罐至出罐,自由電池和粘接電池分別發生194 με 和322 με的拉伸凈應變.將低溫段與高溫段最大應變絕對值相加,得到實驗全周期兩類電池最大形變總量,自由電池和粘接電池分別為1270 με 和1320 με.

圖3 (a) 熱真空循環實驗前后空間太陽電池的IV 曲線;(b) 兩類空間太陽電池陣應變規律總結Fig.3.(a) IV curves of space solar cell before and after thermal vacuum test;(b) strain summary of free and pasted space solar cells.

3.2 不同太陽電池區域應變分析

本小節研究同片電池不同區域在真空熱循環溫度場下應變規律.將一片太陽電池分為電池中心區域和圍繞電池中心的邊緣區域.在這兩個區域各粘貼一片應變傳感器采集數據,如圖4(a)所示.將電池置于熱真空環境中開展1.5 循環實驗(圖4(b)),應變測試系統采集數據如圖4(c)所示.

圖4 (a) 同片電池粘貼應變傳感器的示意圖;(b) 熱真空實驗溫度曲線;(c) 同片空間太陽電池不同位置熱真空實驗應變數據,紅色為太陽電池中心區域應變數據,黑色為太陽電池邊緣區域應變數據;(d) 同片空間太陽電池片應變規律總結Fig.4.(a) Schematic diagram of strain sensors pasted on one space solar cell;(b) temperature curve of thermal vacuum test;(c) strain curves test from different area in one space solar cell during thermal vacuum test,where the red line is strain data from the middle area of the solar cell,and the black one from the edge area of the solar cell;(d) strain summary of one space solar cell.

電池中心區域應變值如圖4(c)中紅色曲線所示,其變化規律與圖2(d)中電池形變規律基本一致,即高溫發生壓縮應變,低溫發生拉伸應變.在高溫408 K 最大應變值為–345 με,在低溫148 K最大應變值為910 με,實驗全程最大應變總量為1255 με.全周期至出罐發生245 με 拉伸應變.

同片電池的邊緣區域形變如圖4(c)中黑色曲線所示.在升溫段(Ⅱ),邊緣區域發生先拉伸后壓縮的形變,這可能與多層結構形變的綜合作用有關.在降溫段(Ⅲ),最大應變量為400 με,為中心區域形變值的一半.在隨爐冷卻(V)過程,2210 min之前邊緣區域發生較快壓縮形變,2210 min 之后應變變化緩慢,至出罐時應變量為–115 με,其原因可能是太陽電池陣多種材料熱膨脹系數差異以及起主導作用的因素不同所致.盡管目前尚無法精確測出每層材料在真空溫度場下的應變變化值,但通過地面實測以及理論推導分析,可有效地得出空間太陽電池陣應變規律并針對性采取減應力措施.

空間太陽電池片中心及邊緣區域在真空溫度場下的應變規律總結如圖4(d)所示,同片電池中心區域發生了245 με 的拉伸凈應變,邊緣區域發生了–115 με 的壓縮凈應變.將低溫段與高溫段的最大應變值相加,得到同片電池中心區域與邊緣區域的最大應變總量分別為1255 με 和590 με.中心區域的應變量比邊緣區高113%.

3.3 空間太陽電池斷裂應變分析

3.1 和3.2 節對電池在真空溫度場下的應變值進行了全程監測,測得高低溫條件下的應變總量.本小節對空間太陽電池的斷裂應變值定量測試.使用空間太陽電池彎曲工裝進行實驗,如圖5(a)和圖5(b)所示,將兩塊彎曲半徑相同的凹凸組合模塊可構成一組彎曲半徑.在空間太陽電池表面粘貼應變傳感器,將電池依次放入彎曲半徑由大到小的工裝中進行彎曲實驗,直到電池發生斷裂為止.使用應變傳感器采集全過程的應變值,得到電池在每個彎曲半徑下的應變值.獲得最小彎曲半徑的同時,得到太陽電池在最小彎曲半徑下斷裂應變值.

使用應變傳感器連續記錄了5 組彎曲半徑(依次為15 cm,12.5 cm,10 cm,7.5 cm,5 cm)下電池的應變值(圖5(c)).測試過程只有在放入凹凸組合模塊時電池會發生明顯的應變變化,在移動及轉移組合塊的過程均不會使電池發生明顯的形變,即每次進行彎曲測試之前電池的初始應變值均可以認為是0 με,這就避免了引入其他應變的可能.由圖5(c)可知電池的彎曲半徑由15 cm 逐漸減小至7.5 cm 時,應變值由810 με 增大至1550 με.電池在彎曲半徑為5 cm 時發生了斷裂,測試該條件下的應變值2080 με,即為電池彎曲碎裂的應變值,如圖5(d)所示.

圖5 (a) 彎曲實驗工裝凸槽;(b)彎曲實驗工裝凹槽;(c)太陽電池斷裂應變數據曲線;(d)空間太陽電池斷裂實物圖Fig.5.(a) Convex equipment for bending test;(b) concave equipment for bending test;(c) rupturing strain curve of space solar cell;(d) picture of a ruptured space solar cell.

表1 統計了不同彎曲半徑條件下電池應變值.將斷裂前應變值對彎曲半徑作圖,得到彎曲半徑-應變散點圖(見圖6).將數據線性擬合得到斜率為–88.9 的擬合直線.由擬合數據可得電池未發生斷裂時,電池的彎曲半徑與應變值呈線性變化趨勢,這符合彈性變形階斷應力應變呈線性變化的規律.彎曲半徑5 cm 時斷裂應變值2080 με 遠大于線性外推得出的應變值.實驗得出空間太陽電池在受到外力時,發生彎曲斷裂的應變值為2080 με.

圖6 不同彎曲半徑下電池應變值擬合曲線Fig.6.Strain data fitting curve of space solar cell under different bending radius.

表1 不同彎曲半徑條件下電池應變值Table 1.Strain data of space solar cell under different bending radius conditions.

4 結論

本文通過建立應變測試系統,實現對空間太陽電池陣在模擬空間真空熱循環溫度場作用下的應變實時監測.使用該測試手段對不同粘接狀態電池、同片電池中心區域和邊緣區域的應變情況進行了測試分析.研究結果如下:1)電池在高溫發生壓縮形變,低溫發生拉伸形變,且形變速率與溫變速率成正比.2)相同條件下,自由電池的最大應變總量為1270 με,粘接電池的最大應變總量為1320 με,同片電池中心區域比邊緣區域應變值高113%.3)空間太陽電池片的斷裂應變值為2080 με.該研究結果對衛星太陽電池陣在空間極端環境下的應變規律給出了參考,對太陽電池陣在研制過程中采取減應力措施具有重要指導意義.