劉丙霖 楊文濤 韓夢(mèng)娜 許春偉 陳文成 顧華洋

空間站大面積柔性太陽(yáng)電池陣模塊化水平裝配技術(shù)研究

劉丙霖 楊文濤 韓夢(mèng)娜 許春偉 陳文成 顧華洋

（上海航天設(shè)備制造總廠有限公司，上海 200245）

與我國(guó)現(xiàn)有航天器的剛性、半剛性電池陣相比，空間站柔性太陽(yáng)電池陣有顛覆性的制造及裝配技術(shù)狀態(tài)變化。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文提出水平裝配工藝方法，設(shè)計(jì)了基于并行同步控制系統(tǒng)的模塊化水平裝配平臺(tái)，并分析了平臺(tái)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性。完成陣面裝配和翻轉(zhuǎn)垂直試驗(yàn)，結(jié)果表明，模塊化水平裝配技術(shù)可以滿足柔性太陽(yáng)電池陣的裝配要求。

柔性太陽(yáng)電池陣；水平裝配；模塊化；空間站

1 引言

太陽(yáng)電池翼是航天器重要能量來(lái)源，隨著航天技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能電池翼發(fā)生了很大的變化。按照結(jié)構(gòu)的剛度特性，太陽(yáng)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(guó)際空間站及太陽(yáng)能電池翼，其太陽(yáng)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(guó)空間站由核心艙、實(shí)驗(yàn)艙I和實(shí)驗(yàn)艙II組成，每個(gè)艙配置兩個(gè)對(duì)稱的柔性太陽(yáng)翼，每副太陽(yáng)電池翼包含兩個(gè)大面積柔性太陽(yáng)電池陣（簡(jiǎn)稱柔性陣）。與我國(guó)現(xiàn)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(shù)狀態(tài)變化：陣面形式上由原來(lái)的剛性陣或半剛性陣變?yōu)槿嵝躁?；展開(kāi)方式上由原來(lái)的無(wú)源鉸鏈?zhǔn)揭淮涡哉归_(kāi)變?yōu)橛性磋旒苁娇啥啻沃貜?fù)展開(kāi)；電池總面積由原來(lái)的10～20m2變?yōu)?30m2，能量輸出高達(dá)十幾千瓦；展開(kāi)長(zhǎng)度上由原來(lái)的不到10m變?yōu)?0～30m，然而收攏厚度僅150mm。這些新的技術(shù)狀態(tài)變化對(duì)產(chǎn)品制造及裝配帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

2 水平裝配工藝技術(shù)研究

2.1 柔性陣結(jié)構(gòu)組成

柔性陣主要由收納箱（上箱體、下箱體）、機(jī)構(gòu)、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(cè)用于收納電池陣面；機(jī)構(gòu)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(guò)鉸鏈連接成電池陣，電池片粘貼在基板上通過(guò)光電轉(zhuǎn)換發(fā)電；柔性電纜將電能傳輸至下收納箱體電纜網(wǎng)。

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(jié)砷化鎵電池片。電池板的總厚度不超過(guò)1mm，單塊重量約2kg。電池陣面轉(zhuǎn)換的電能通過(guò)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(zhǎng)度27m，連接整個(gè)陣面并粘貼至上、下箱體上。

2.2 裝配工藝方案

根據(jù)柔性陣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，傳統(tǒng)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(huì)增加尺寸精度控制難度、裝配過(guò)程中電池板的安全防護(hù)難度和電纜連接的難度；采用水平疊放方式連接電池板會(huì)大大增加柔性陣的研制時(shí)間。

為保證柔性陣裝配精度指標(biāo)要求以及各工序?qū)嵤┑谋憷?，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(tái)，在平臺(tái)上可以便捷實(shí)施電纜膠接、互聯(lián)片焊接等工序，提高了工藝可操作性；水平全展開(kāi)裝配流程將電纜的膠接與焊接工序在時(shí)序上分離開(kāi)來(lái)，減少了膠接與焊接工序之間的干涉，流程清晰；對(duì)于電纜膠接工序，可多塊電池板同步實(shí)施，在膠黏劑固化時(shí)間較長(zhǎng)的約束下，提高了生產(chǎn)效率。陣面裝配完成后將電池陣整體翻轉(zhuǎn)至垂直狀態(tài)，有利于產(chǎn)品的后續(xù)裝配及試驗(yàn)。柔性陣裝配過(guò)程如圖2所示，機(jī)構(gòu)與柔性陣面的裝配可同時(shí)進(jìn)行。

圖2 柔性陣裝配流程圖

3 模塊化水平裝配平臺(tái)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)柔性陣水平裝配的工藝方法，設(shè)計(jì)了模塊化水平裝配平臺(tái)，并研究水平裝配平臺(tái)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)特性。

3.1 裝配平臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

圖3 水平裝配平臺(tái)單模塊分解視圖

總裝平臺(tái)長(zhǎng)度與電池陣的長(zhǎng)度一致，總長(zhǎng)約26m，為大跨度平臺(tái)，為了滿足制造的可行性和操作的可達(dá)性，水平裝配平臺(tái)采用模塊化設(shè)計(jì)，劃分為8個(gè)模塊，每個(gè)模塊可以安裝6塊電池板，模塊之間通過(guò)互聯(lián)鎖緊裝置連成整體，每個(gè)模塊功能一致，單個(gè)模塊結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、地面支撐裝置，具體如圖3所示。電池板模塊由電池板和轉(zhuǎn)位工裝組成，如圖4所示。轉(zhuǎn)位工裝上有與裝配平臺(tái)接口，便于電池板的固定和定位。在裝配、轉(zhuǎn)運(yùn)、翻轉(zhuǎn)等過(guò)程中，電池板均由轉(zhuǎn)位工裝承載，電池板與工裝無(wú)相對(duì)移位，減少了人為操作失誤的風(fēng)險(xiǎn)，有效控制電池板的變形量及安全防護(hù)。

3.2 靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

曲柄滑塊翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的作用是將帶有電池板模塊的支撐框由水平翻轉(zhuǎn)至豎直狀態(tài)，受力分析如圖5所示，其中相關(guān)參數(shù)如表1所示。

圖5 平臺(tái)受力分析圖

表1 曲柄滑塊系統(tǒng)力學(xué)參數(shù)

3.2.1 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)靜力學(xué)分析

推桿推力與絲桿推力之間的函數(shù)關(guān)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(shù)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(dāng)支撐框從水平狀態(tài)逆時(shí)針?lè)D(zhuǎn)時(shí)，和呈減小趨勢(shì)。

3.2.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

針對(duì)機(jī)構(gòu)原理圖，如圖5所示的坐標(biāo)系，則2、3點(diǎn)坐標(biāo)可以表示為：2=[1cos，1sin]，3=[1cos+2cos，0]

由三角函數(shù)關(guān)系可得：

由以上式（3）可得：

3.3 模塊化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水平裝配平臺(tái)控制系統(tǒng)采用上下層的控制方式，上下層通過(guò)以太網(wǎng)總線進(jìn)行通訊確保系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和多自由度運(yùn)動(dòng)的同步性，上層控制器負(fù)責(zé)上層軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)選擇、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)監(jiān)控以及與下層的通訊。下層控制器負(fù)責(zé)伺服電機(jī)的閉環(huán)控制，電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖6所示。

圖6 總體控制框架

為保證平臺(tái)的8個(gè)模塊同步運(yùn)行，采用并行同步控制系統(tǒng)調(diào)控。并行同步控制系統(tǒng)中，所有的電機(jī)地位均等，同時(shí)直接接收系統(tǒng)的控制指令[4]。通過(guò)數(shù)控系統(tǒng)GSK 218MC將伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和各個(gè)傳感器執(zhí)行器連接起來(lái)，驅(qū)動(dòng)各個(gè)翻轉(zhuǎn)單元翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)各個(gè)翻轉(zhuǎn)單元的同步控制要求，并在人機(jī)界面中實(shí)時(shí)顯示各軸的運(yùn)動(dòng)速度和所處位置。系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)程序采用LAD語(yǔ)言編寫(xiě)，主要包括回零點(diǎn)程序、速度控制程序、位置控制程序、報(bào)警處理程序、抱閘處理程序、和軟件限位程序等，保證各個(gè)翻轉(zhuǎn)單元的翻轉(zhuǎn)同步性和穩(wěn)定性，以及快速故障處理能力。

3.4 模塊化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證陣面的裝配精度以及平臺(tái)翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的產(chǎn)品安全性，從以下方面進(jìn)行了同步性運(yùn)動(dòng)控制分析：

3.4.1 起始運(yùn)動(dòng)位置一致性

在各個(gè)模塊裝配時(shí)，采用激光跟蹤儀輔助測(cè)量調(diào)整各模塊支撐框旋轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)軸控制同步性

系統(tǒng)模塊化同步控制方式是基于伺服電機(jī)本身高度伺服功能保持同步，所以電機(jī)之間保持同步的關(guān)鍵是接收到相同的指令，并且電機(jī)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(tǒng)高度依賴伺服電機(jī)本身的控制參數(shù)、工作環(huán)境、信號(hào)傳輸速度，采用以太網(wǎng)總線作為通訊系統(tǒng)，其帶寬達(dá)到100M，8軸的同步性足以保證在1ms以內(nèi)。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(tái)翻轉(zhuǎn)速度設(shè)置為0.15°/s，假設(shè)相鄰兩個(gè)軸存在極限情況，總線通訊1ms的時(shí)間差，則翻轉(zhuǎn)過(guò)程中存在偏差即為弧長(zhǎng)L,表示為：

由式（10）可知，極限情況下弧長(zhǎng)LAB =0.052mm，兩模塊的運(yùn)動(dòng)差異不會(huì)對(duì)電池陣造成影響。

3.4.3 翻轉(zhuǎn)過(guò)程位置一致性

在同步運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，8個(gè)模塊之間通過(guò)互聯(lián)塊上的銷相互連接在一起，確保運(yùn)動(dòng)機(jī)械本體同步性?？紤]極限情況，當(dāng)某一電機(jī)產(chǎn)生故障，不能運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，上層控制系統(tǒng)通過(guò)電流位置速度信號(hào)的檢測(cè)判斷，能在1ms時(shí)間內(nèi)作出響應(yīng)，通過(guò)總線系統(tǒng)同時(shí)停止所有電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，并控制抱閘鎖定當(dāng)前位置，保證產(chǎn)品在翻轉(zhuǎn)過(guò)程中的安全性。

4 柔性陣水平裝配和翻轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果

柔性陣共有44塊電池板，水平裝配時(shí)通過(guò)平臺(tái)兩端導(dǎo)向柱建立的直線為基準(zhǔn)，逐一調(diào)整電池板放置的位置，保證了電池陣面直線度優(yōu)于2mm。

電池陣裝調(diào)完成后，以裝配平臺(tái)為支撐，分別在電池板兩側(cè)進(jìn)行柔性電纜的膠結(jié)和焊接工作，膠結(jié)和焊接工序亦可同步進(jìn)行，提高生產(chǎn)效率。陣面工作結(jié)束后，通過(guò)水平裝配平臺(tái)將其整體翻轉(zhuǎn)垂直，翻轉(zhuǎn)過(guò)程平穩(wěn)、同步一致性好、陣面連接處無(wú)異常、電池片無(wú)破裂。最后利用吊掛裝置連接各電池板，將陣面與平臺(tái)分離，繼續(xù)完成后續(xù)裝配及展收試驗(yàn)工作。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)空間站大面積柔性太陽(yáng)電池陣裝配工藝方案進(jìn)行了分析，提出了模塊化水平裝配技術(shù)，為產(chǎn)品多項(xiàng)工序的實(shí)施創(chuàng)造了條件，保證裝配精度滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。目前，柔性太陽(yáng)電池翼已在軌正常展開(kāi)，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(shí)驗(yàn)室大面積太陽(yáng)電池陣技術(shù)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(yáng)電池陣銅鍍銀編織電纜阻熔焊研究[J]. 電源技術(shù)，2018，42(3)：410～412

4 時(shí)云，袁定新，田海林，等. 柔性太陽(yáng)電池翼單邊陣翻轉(zhuǎn)裝置控制系統(tǒng)[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(jī)械工程專業(yè)；研究方向：太陽(yáng)翼總裝工藝。

2022-09-21