空間站大面積柔性太陽電池陣模塊化水平裝配技術研究

劉丙霖 楊文濤 韓夢娜 許春偉 陳文成 顧華洋

空間站大面積柔性太陽電池陣模塊化水平裝配技術研究

劉丙霖 楊文濤 韓夢娜 許春偉 陳文成 顧華洋

（上海航天設備制造總廠有限公司，上海 200245）

與我國現有航天器的剛性、半剛性電池陣相比，空間站柔性太陽電池陣有顛覆性的制造及裝配技術狀態變化。根據產品結構特點，本文提出水平裝配工藝方法，設計了基于并行同步控制系統的模塊化水平裝配平臺，并分析了平臺翻轉過程中的運動特性。完成陣面裝配和翻轉垂直試驗，結果表明，模塊化水平裝配技術可以滿足柔性太陽電池陣的裝配要求。

柔性太陽電池陣；水平裝配；模塊化；空間站

1 引言

太陽電池翼是航天器重要能量來源，隨著航天技術的發展，太陽能電池翼發生了很大的變化。按照結構的剛度特性，太陽電池翼可分為剛性電池翼、半剛性電池翼和柔性電池翼。2010年全面投入使用的國際空間站及太陽能電池翼，其太陽能電池翼采用柔性形式，目前已在軌可靠服役12年[1，2]。

中國空間站由核心艙、實驗艙I和實驗艙II組成，每個艙配置兩個對稱的柔性太陽翼，每副太陽電池翼包含兩個大面積柔性太陽電池陣（簡稱柔性陣）。與我國現有航天器的剛性、半剛性電池翼相比，柔性陣有顛覆性的技術狀態變化：陣面形式上由原來的剛性陣或半剛性陣變為柔性陣；展開方式上由原來的無源鉸鏈式一次性展開變為有源桁架式可多次重復展開；電池總面積由原來的10～20m2變為130m2，能量輸出高達十幾千瓦；展開長度上由原來的不到10m變為20～30m，然而收攏厚度僅150mm。這些新的技術狀態變化對產品制造及裝配帶來了極大挑戰。

2 水平裝配工藝技術研究

2.1 柔性陣結構組成

柔性陣主要由收納箱（上箱體、下箱體）、機構、柔性基板組件、電池板和柔性電纜等組成，如圖1所示。上、下箱體位于柔性陣面的最外側用于收納電池陣面；機構安裝在箱體上用于柔性陣的壓緊和釋放；柔性基板組件和電池板通過鉸鏈連接成電池陣，電池片粘貼在基板上通過光電轉換發電；柔性電纜將電能傳輸至下收納箱體電纜網。

圖1 柔性陣示意圖

電池板采用聚酰亞胺薄膜作為電池基板，外形尺寸2400mm×520mm，單面粘貼高效三結砷化鎵電池片。電池板的總厚度不超過1mm，單塊重量約2kg。電池陣面轉換的電能通過分布在其兩端的柔性電纜傳輸，柔性電纜為聚酰亞胺+銅箔+聚酰亞胺的形式組合，長度27m，連接整個陣面并粘貼至上、下箱體上。

2.2 裝配工藝方案

根據柔性陣結構特點，傳統剛性和半剛性電池陣的裝配方法不能適用于柔性陣的裝配。采用吊掛方式連接電池板，會增加尺寸精度控制難度、裝配過程中電池板的安全防護難度和電纜連接的難度；采用水平疊放方式連接電池板會大大增加柔性陣的研制時間。

為保證柔性陣裝配精度指標要求以及各工序實施的便利性，電池陣面采用水平裝配的工藝方法連接。該方法依托于水平裝配平臺，在平臺上可以便捷實施電纜膠接、互聯片焊接等工序，提高了工藝可操作性；水平全展開裝配流程將電纜的膠接與焊接工序在時序上分離開來，減少了膠接與焊接工序之間的干涉，流程清晰；對于電纜膠接工序，可多塊電池板同步實施，在膠黏劑固化時間較長的約束下，提高了生產效率。陣面裝配完成后將電池陣整體翻轉至垂直狀態，有利于產品的后續裝配及試驗。柔性陣裝配過程如圖2所示，機構與柔性陣面的裝配可同時進行。

圖2 柔性陣裝配流程圖

3 模塊化水平裝配平臺設計

為實現柔性陣水平裝配的工藝方法，設計了模塊化水平裝配平臺，并研究水平裝配平臺翻轉過程中的運動特性。

3.1 裝配平臺結構組成

圖3 水平裝配平臺單模塊分解視圖

總裝平臺長度與電池陣的長度一致，總長約26m，為大跨度平臺，為了滿足制造的可行性和操作的可達性，水平裝配平臺采用模塊化設計，劃分為8個模塊，每個模塊可以安裝6塊電池板，模塊之間通過互聯鎖緊裝置連成整體，每個模塊功能一致，單個模塊結構由六部分組成，分別為電池片模塊、配重模塊、電池片模塊支撐框、電池片吊掛模塊、曲柄模塊翻轉機構、地面支撐裝置，具體如圖3所示。電池板模塊由電池板和轉位工裝組成，如圖4所示。轉位工裝上有與裝配平臺接口，便于電池板的固定和定位。在裝配、轉運、翻轉等過程中，電池板均由轉位工裝承載，電池板與工裝無相對移位，減少了人為操作失誤的風險，有效控制電池板的變形量及安全防護。

3.2 靜力學與運動學分析

曲柄滑塊翻轉機構的作用是將帶有電池板模塊的支撐框由水平翻轉至豎直狀態，受力分析如圖5所示，其中相關參數如表1所示。

圖5 平臺受力分析圖

表1 曲柄滑塊系統力學參數

3.2.1 曲柄滑塊機構靜力學分析

推桿推力與絲桿推力之間的函數關系：

由式（1）和式（2）可以得出：

由式（3）和式（4）可以得出，在其他參數不變的情況下，力隨角度、的變化而變化，力隨角度、、的變化而變化。當支撐框從水平狀態逆時針翻轉時，和呈減小趨勢。

3.2.2 曲柄滑塊機構運動學分析

針對機構原理圖，如圖5所示的坐標系，則2、3點坐標可以表示為：2=[1cos，1sin]，3=[1cos+2cos，0]

由三角函數關系可得：

由以上式（3）可得：

3.3 模塊化控制系統設計

水平裝配平臺控制系統采用上下層的控制方式，上下層通過以太網總線進行通訊確保系統的實時性和多自由度運動的同步性，上層控制器負責上層軌跡規劃、關節選擇、運動狀態監控以及與下層的通訊。下層控制器負責伺服電機的閉環控制，電控系統總體設計方案如圖6所示。

圖6 總體控制框架

為保證平臺的8個模塊同步運行，采用并行同步控制系統調控。并行同步控制系統中，所有的電機地位均等，同時直接接收系統的控制指令[4]。通過數控系統GSK 218MC將伺服驅動系統和各個傳感器執行器連接起來，驅動各個翻轉單元翻轉，實現各個翻轉單元的同步控制要求，并在人機界面中實時顯示各軸的運動速度和所處位置。系統運動程序采用LAD語言編寫，主要包括回零點程序、速度控制程序、位置控制程序、報警處理程序、抱閘處理程序、和軟件限位程序等，保證各個翻轉單元的翻轉同步性和穩定性，以及快速故障處理能力。

3.4 模塊化控制系統設計

為保證陣面的裝配精度以及平臺翻轉過程中的產品安全性，從以下方面進行了同步性運動控制分析：

3.4.1 起始運動位置一致性

在各個模塊裝配時，采用激光跟蹤儀輔助測量調整各模塊支撐框旋轉軸的同軸度以及支撐面平面度，確保起始位姿的一致性。

3.4.2 各運動軸控制同步性

系統模塊化同步控制方式是基于伺服電機本身高度伺服功能保持同步，所以電機之間保持同步的關鍵是接收到相同的指令，并且電機本身伺服能力保持一致。基于并行同步控制方式組建的系統高度依賴伺服電機本身的控制參數、工作環境、信號傳輸速度，采用以太網總線作為通訊系統，其帶寬達到100M，8軸的同步性足以保證在1ms以內。如圖7所示，是某一模塊的支撐框，是其相鄰模塊的支撐框，平臺翻轉速度設置為0.15°/s，假設相鄰兩個軸存在極限情況，總線通訊1ms的時間差，則翻轉過程中存在偏差即為弧長L,表示為：

由式（10）可知，極限情況下弧長LAB =0.052mm，兩模塊的運動差異不會對電池陣造成影響。

3.4.3 翻轉過程位置一致性

在同步運動過程中，8個模塊之間通過互聯塊上的銷相互連接在一起，確保運動機械本體同步性。考慮極限情況，當某一電機產生故障，不能運轉時，上層控制系統通過電流位置速度信號的檢測判斷，能在1ms時間內作出響應，通過總線系統同時停止所有電機的運轉，并控制抱閘鎖定當前位置，保證產品在翻轉過程中的安全性。

4 柔性陣水平裝配和翻轉試驗結果

柔性陣共有44塊電池板，水平裝配時通過平臺兩端導向柱建立的直線為基準，逐一調整電池板放置的位置，保證了電池陣面直線度優于2mm。

電池陣裝調完成后，以裝配平臺為支撐，分別在電池板兩側進行柔性電纜的膠結和焊接工作，膠結和焊接工序亦可同步進行，提高生產效率。陣面工作結束后，通過水平裝配平臺將其整體翻轉垂直，翻轉過程平穩、同步一致性好、陣面連接處無異常、電池片無破裂。最后利用吊掛裝置連接各電池板，將陣面與平臺分離，繼續完成后續裝配及展收試驗工作。

5 結束語

本文對空間站大面積柔性太陽電池陣裝配工藝方案進行了分析，提出了模塊化水平裝配技術，為產品多項工序的實施創造了條件，保證裝配精度滿足設計指標要求。目前，柔性太陽電池翼已在軌正常展開，正為空間站提供源源不斷的電能。

1 李瑞祥，王治易，肖杰，等. 空間實驗室大面積太陽電池陣技術研究[J].上海航天，2003(4)：10～14

2 Jones P A, Spence B R. Spacecraft solar array technology trends[J]. IEEE Aerospace and Electronic Systems Magazine, 2011, 26(8): 17～28

3 郝曉麗. 空間太陽電池陣銅鍍銀編織電纜阻熔焊研究[J]. 電源技術，2018，42(3)：410～412

4 時云，袁定新，田海林，等. 柔性太陽電池翼單邊陣翻轉裝置控制系統[P]. 上海：CN204725121U，2015-10-28

Research on Modular Horizontal Assembly Technology of Large-area Flexible Solar Arry for Space Station

Liu Binglin Yang Wentao Han Mengna Xu Chunwei Chen Wencheng Gu Huayang

(Shanghai Aerospace Equipments Manufacturer Co., Ltd., Shanghai 200245)

Compared with the rigid and semi-rigid battery arrays of existing spacecraft in my country, the space station flexible solar battery array has a subversive state of manufacturing and assembly technology. According to the characteristics of product structure, this paper proposes a horizontal assembly process method, designs a modular horizontal assembly platform based on parallel synchronous control system, and analyzes the motion characteristics of the platform in the process of turnover. The results show that the modular horizontal assembly technology can meet the assembly requirements of flexible solar arrays.

flexible solar array；horizontal assembly；modular；space station

V 465；TP 273

A

劉丙霖（1990），工程師，機械工程專業；研究方向：太陽翼總裝工藝。

2022-09-21