太陽電池陣基板在熱真空試驗中微弱熱變形測量試驗研究

摘" 要：該文主要內容研究的是在真空冷黑環境下，通過空間外熱流模擬的方式結合數字化攝影測量的手段對太陽電池陣基板的微弱變形量進行測試試驗研究。試驗方案中采用非接觸式紅外燈陣模擬空間外熱流的方式，同時使用空間環境模擬設備建立試驗所需的真空冷黑環境，對太陽電池陣基板進行熱流的施加，試驗過程中采用數字化攝影測量對不同外熱流作用下造成的太陽電池陣基板的微弱熱變形進行測量。試驗結果表明，在紅外燈陣輻射熱流的作用下，太陽電池陣基板2 m×1.44 m范圍內的熱變形測量精度優于0.05 mm，該指標可以滿足測量精度要求，光學攝影測量方法可作為測量太陽電池陣基板在熱真空試驗過程中微弱變形的測量方法，并且試驗驗證該方法有效，解決熱真空試驗過程中太陽電池陣基板熱變形測量的問題，為后續電池陣表面設計蓋片及蓋片之間銀連片設計提供試驗數據支撐。

關鍵詞：熱真空試驗；太陽電池陣基板；數字化攝影測量；微弱熱變形測量；外熱流模擬；紅外燈陣設計

中圖分類號：V442" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0062-04

Abstract： The main content of this paper is to test and study the weak deformation of solar cell array substrates through external heat flow simulation combined with digital photogrammetry in a vacuum cold black environment. In the test plan， a non-contact infrared lamp array was used to simulate external heat flow in space. At the same time， space environment simulation equipment was used to establish the vacuum cold black environment required for the test， and heat flow was applied to the solar cell array substrate. During the test， digital photogrammetry measures the weak thermal deformation of the solar cell array substrate caused by different external heat flows. The test results show that under the action of the radiant heat flow of the infrared lamp array， the measurement accuracy of thermal deformation of the solar cell array substrate within the range of 2 m×1.44 m is better than 0.05 mm， which can meet the measurement accuracy requirements. The optical photogrammetry method can be used as a measurement method to measure the weak deformation of the solar cell array substrate during the thermal vacuum test. The test has verified that the method is effective， solving the problem of measuring the thermal deformation of the solar cell array substrate during the thermal vacuum test. It provides experimental data support for subsequent battery array surface design of the cover sheet and the design of silver connecting strips between the cover sheets.

Keywords： thermal vacuum test; solar array substrate; digital photogrammetry; weak thermal deformation measurement; external heat flow simulation; infrared lamp array design

航天器結構產品，如太陽電池陣基板、SAR天線、光學系統支撐結構等復雜結構產品在軌運行時需要保證高度的穩定性。但是，空間環境非常復雜，航天器一方面面臨著外太空低于4 K的冷黑環境的輻射，另一方面又面臨著太陽的光照、地球紅外輻射、地球反射等外熱流的綜合作用，隨著航天器繞著地球在做周期性的往復運動，航天器上不同部位的儀器產品也周期性地接受熱流輻照的變化，這個過程導致航天器結構自身會產生一定的溫度梯度，從而引起結構的微弱變形，結構的微弱變形對于航天器上一些較為精密的儀器指向、定標結果將會產生不可逆轉的后果。為了提前獲取這些數據，必須在地面階段進行充分有效的試驗，首先要進行空間外熱流及冷黑背景的模擬，其次要找到合適的測量方法用于真空環境下微弱熱變形的測量[1-2]。

本文針對太陽電池陣基板在空間外熱流變化的情況下，材料內部形成的較大的溫度梯度，從而導致粘貼在基板表面蓋片的碎裂或相鄰蓋片之間銀連片的斷裂問題，進行微弱變形量測量方法的試驗研究。下面對本文采用的微弱變形測量方案、試驗系統建立、試驗過程結果數據分析等進行詳細介紹。

1" 微弱熱變形測量方案

1.1" 測量方法

目前熱變形測量的方式主要有以下幾種。①應變片法：該方法較多地應用于地面常壓試驗中，根據應變片的測量原理，基于材料的應變-電阻效應，材料因受外力作用產生變形，導致電阻的變化，測量精度較低，一般優于0.2 mm，在一些精度要求不高的場合可以使用，測試系統簡單，測量成本低。②光學測量法：雙目測量系統是光學測量方法中應用較為廣泛的一種，該方法測量精度較高，可以滿足0.05 mm以下精度的測試，但系統結構復雜，造價高，尤其在真空罐內使用時，要考慮相機在真空環境及高低溫交變環境中的使用，需要采取一些特殊的防護手段，才能保證相機的長時間正常穩定工作。

綜上，根據太陽電池陣基板微變形量測量精度要求優于0.05 mm，本文采用光學方法測量中的交會照相法對真空環境下的太陽電池陣基板在不同外熱流作用下的變形量進行試驗測量研究[3]。

1.2" 測量原理

計算機立體視覺測量指的是由多幅二維平面圖像，恢復出被攝物體的空間三維坐標，而其中基于兩幅圖像的雙目視覺技術則是當前研究的熱點。若采用雙（多）臺相機在不同的攝站點拍攝被測目標物，形成多攝站交會的多目立體模型。具體解析公式為[4-5]

式中：x0、y0、f為像片的內方位元素，分別代表像主點與主距，是確定攝影相機鏡頭中心（攝影中心）相對于影像位置關系的參數，用以恢復攝影時攝影光束的形狀； Xs、Ys、Zs、ψ、ω、κ為像片的外方位元素，是表達像片或攝影光束在攝影瞬間的空間位置與姿態的參數；ai、bi、ci（i=1、2、3）為像片的3個外方位元素ψ、ω、κ所組成的9個方向余弦；Δx、Δy為各像點坐標相對其理論位置坐標（x、y）存在的小偏差（畸變）。

由最小二乘平差原理，根據上述公式列出誤差方程式，采用光束法平差算法進行求解，即可以獲得被測對象的三維空間位置坐標（Xi，Yi，Zi）。

1.3" 測量方案

根據需求分析，待測產品整體平面尺寸約為2 m×1.44 m，實際測量區域為產品整體平面的四分之一區域，即待測平面尺寸約1 m×0.72 m。為了方便相機防護罐的架設，本次真空熱變形測量選取產品右下角區域進行測量。本方案采用雙相機工業攝影測量系統對產品進行熱變形測量（2臺相機）。

試驗時待測產品豎直固定在真空罐內，產品待測量表面正前方架設2套相機防護罐（測量相機安裝在相機防護罐內），由于產品需要通過紅外燈陣輻射升溫，所以產品待測表面前方還設置有紅外燈陣，即紅外燈陣位于產品與相機之間，如圖1所示。

在產品待測表面（產品右下角四分之一區域內）粘貼高低溫測量專用攝影靶標，在防護罐與真空罐外的控制柜間連接溫控管路和電纜線，測量系統數據采集模塊可以控制相機采集圖像數據，采集的圖像數據通過電纜線實時傳輸到計算機內存儲，然后通過圖像處理模塊得到各攝影靶標的三維坐標，通過數據分析模塊對點坐標進行分析即可得到產品的平面度和變形量[6]。相機防護溫控系統主要用于給相機正常工作提供一個比較舒適的環境，確保相機成像的質量。

2" 試驗系統建立

2.1" 空間外熱流模擬系統

空間外熱流模擬系統包括空間外熱流模擬裝置、真空冷黑環境裝置，其中本次試驗的真空冷黑環境裝置為真空罐KM2。

其中空間外熱流模擬方法按照模擬熱流的特點可以分為2類：一種稱為入射熱流模擬法，目前主流的模擬方式是在大型空間模擬器內配有太陽模擬器，充分考慮太陽光的光譜特性、方向性等指標，可較為真實地模擬入射熱流，但是試驗系統復雜，單次試驗成本較高。另外一種稱為吸收熱流模擬法，目前主流的模擬方式有紅外燈陣、紅外加熱籠、薄膜式加熱片和紅外加熱罩等，此方法只考慮物體表面的吸收熱流，使模擬的熱流等于物體表面實際吸收的熱流，只考慮物體表面的紅外輻射特性[7]。本文采用吸收熱流模擬方法對太陽電池陣基板進行在軌外熱流的模擬。

試驗對象太陽電池陣的尺寸為2 000 mm×1 440 mm，采用了紅外燈陣方法進行外熱流模擬設計，每塊板設60盞燈，根據試驗經驗數據，紅外燈陣@95 ℃的到達效率約為16%，以每盞燈80%的輸出功率400 W計算，如圖2所示。

太陽電池陣表面紅外發射率ε以0.88計，則單塊太陽電池陣基板加熱到95 ℃需要的熱流密度為913 W/m2，對應的吸收輻射熱量為2 629 W，紅外燈陣所需的輻射總熱量為2 629/0.16=16 850 W，對應16 850/400≈41盞燈。由上述分析可知，紅外燈陣的設計密度可以滿足需求。整個熱流施加的準確性通過黑片式熱流計與對應區域紅外燈陣形成自閉環系統進行控制保證，本試驗方法只進行光照和陰影區的準穩態熱流模擬。

2.2" 測量系統

數字化攝影測量系統主要由實時測量相機、定向尺、轉接電纜線、靶標、測試軟件和相機防護設備等組成，系統主要技術指標見表1。

在試驗過程中，為保證測量精度與測量的準確性，主要的核心控制點在于相機的防護、靶標粘貼及基準尺布置，下面具體介紹相關測量過程的控制情況。

2.2.1" 相機防護

測量相機要求置于高低溫真空艙室內工作，高低溫真空艙室內溫度以及氣壓會對相機造成損壞。因此采用對測量相機設計防護罐形式進行溫度防護以及壓力防護。相機防護罐主要是為實現相機在不能耐受的環境下實現拍攝所提供的一種保護罐，防護罐內維持相機能耐受的環境以達到對相機的保護目的，確保相機成像質量的穩定性。設計采用真空絕熱層防護罐保護相機，將相機置于防護罐內，真空絕熱層最大限度地減小漏熱，罐內溫度控制采用罐內壁貼導熱管換熱方式，通過外部溫度控制機組將控溫后的載冷劑通入導熱管內實現罐內溫度控制，考慮到真空罐內介質使用的安全性，本次試驗中載冷劑選擇工業酒精[8]。

2.2.2" 靶標粘貼

試驗前需要先在產品表面粘貼高低溫專用攝影靶標，包括單點和編碼點，攝影單點用于計算分析產品的平面度和變形量，由于測量系統采用的是不穩定測量模式，每次測量需要通過編碼點進行系統定向，所以在產品表面還需要均勻粘貼25個左右的高低溫專用攝影編碼點。由于相機和產品之間設置有紅外燈陣，紅外燈陣會對相機視線造成遮擋，所以在粘貼靶標前，先打開相機測量軟件，在軟件內查看2臺相機都能測量到的產品區域，然后在可測區域內粘貼測量靶標，靶標粘貼完成后，通過測試軟件再次掃描靶標位置，確保所有靶標位置可見。

2.2.3" 基準尺布置

由于測量系統采用的是不穩定測量模式，每次測量需要通過編碼點進行系統定向，同時需要通過測量攝影基準尺恢復系統尺度，所以需要在產品邊緣布設一根強度高、膨脹系數低的攝影基準尺，基準尺的制作材料一般使用碳纖維、殷鋼（膨脹系數小）。通常在基準尺的兩端粘貼反射標識，用于基準尺長度的精確定位及測量，基準尺的長度決定了整個系統測量的精確性，因此購置的基準尺的質量非常重要，試驗前需要進行標定。

3" 測量結果與分析

當數據采集完畢后測量軟件開始對采集照片處理分析，圖像處理模塊將采集的圖像經過圖像處理、靶標的識別、圖像配對、空間三角交會及光束法平差得到被測點的三維空間位置坐標。在測量軟件內通過標準形體擬合功能（圖3），使用測量的點坐標擬合平面計算平面度[9-10]。

根據實測數據分析結果表明，通過光學交會照相方法測量的太陽電池陣基板表面微弱變形量偏差最大是0.047 mm，最小是0.001 mm，優于0.05 mm，滿足太陽電池陣基板在真空冷黑環境下的微弱變形測量指標的需求。

4" 結論

綜上所述，采用紅外燈陣結合真空罐的模擬方式，可以有效地進行航天器在軌吸收熱流和冷黑空間環境的模擬，同時結合數字攝影測量技術可以實現在真空熱試驗過程中對太陽電池陣基板熱變形量的高精度測量，本次試驗對象太陽電池陣基板2 m×1.44 m，測量結果表明整個基板由于溫度梯度變化引起的形變量在0.05 mm以內，數字攝影測量技術可完全滿足試驗關于形變量測量的精度要求。該試驗方法在后續太陽電池陣基板的非接觸熱變形測量中有較高的推廣應用價值，為后續太陽電池陣基板蓋片及蓋片間銀連片的設計提供了試驗數據支撐。同時該方法也可以推廣應用至航天器上其他產品的熱變形測量。

參考文獻：

[1] 蔣山平，楊林華，許杰，等.真空低溫環境下衛星天線變形攝影測量技術[J].光學技術，2013，39（4）：313-317.

[2] 于江，蔣山平，楊林華.基于數字近景攝影測量的天線變形測量[J].航天器環境工程，2008，25（1）：56-58.

[3] CHEN X， YANG L， XU N， et al. Cluster approach based multi-camera digital image correlation：Methodology and its application in large area high temperature measurement[J]. Optics and Laser Technology，2014（57）：318-326.

[4] 黃桂平.數字近景工業攝影測量關鍵技術研究與應用[D].天津：天津大學，2005：31-32.

[5] 黃桂平，馬開鋒，柏宏武，等.大型可展開天線型面熱變形近景攝影測量[J].機械工程學報，2020，56（11）：77-83.

[6] 霍立寰.空間大口徑天線陣校正方法研究[D].西安：西安電子科技大學，2019.

[7] HANG P， JIANG S， YANG L， et al.Development of distortion measurement system for large deployable antenna via photogrammetry in vacuum and cryogenic environment[C]//Beijing Institute of" Spacecraft" Environment" Engineering （China），2018.

[8] 劉博學，柏宏武.星載雙反射面天線熱變形測量數據處理方法[J].航天器環境工程，2019，36（1）：27-32.

[9] 劉聰，戴云彤，戴美玲，等.二維多相機全場數字圖像相關變形測量方法[J].光學學報，2016，36（12）：97-105.

[10] ORTEU J J， BUGARIN F， HARVENT J， et al. Multiple-camera instrumentation of a single point incremental forming process pilot for shape and 3D displacement measurements： methodology and results[J].Experimental Mechanics，2011，51（4）：625-639.