未来许多空军任务需要能够产生超过50 kW总功率、功率密度大于250 W/kg的先进太阳能阵列。最大的传统系统限制在小于15 kW的总功率，大约50 W/kg。卷出和被动展开阵列设计将通过创新设计证明50 kW、250 W/kg级太阳能阵列系统的可行性，该设计充分利用了薄膜光伏和弹性记忆复合材料（EMC）部署技术的最新进展。利用太阳能被动展开阵列进一步提高了整体系统效率。本文介绍了该阵列结构系统详细设计的开发和验证。特别关注EMC长桁的开发和验证，这些长桁是该阵列系统的主要结构成员，控制包装和部署，并为部署系统提供主要刚度和强度。本文包括EMC长桁的分析和测试结果，展示了部署和形状存储能力。
一、引言
未来的卫星电源子系统设计将追求比现有太阳能阵列技术更高的功率水平、功率密度、发射包装密度和更低的单位成本。目前可用的最大商业太阳能阵列仅能提供约15 kW的寿命末期功率，功率密度为50-70 W/kg，包装效率为10-15 kW/m³，成本约为每瓦1000美元。未来的大型航天器可能要求高达50 kW的功率，功率密度大于250W/kg，同时还需降低成本并提高包装密度和功率密度。现有技术的规模化，例如刚性平板太阳能阵列，由于其固有的包装限制和低质量效率，可能非常昂贵并需要更大的运载火箭。薄膜光伏太阳能阵列有潜力以轻量化构型提供非常高的功率水平，且可以紧凑包装用于发射。然而，与现有光伏技术相比，薄膜光伏较低的功率转换效率意味着要提供给定的总功率需要更大的展开面积。薄膜光伏技术的这一局限性意味着，只有开发出更高效的部署技术和结构设计，薄膜光伏系统才具有实用性。
展开剩余93%目前的可展开太阳能阵列系统基于已有超过30年历史的设计。总的来说，这些传统设计可分为两类：1) 铰接面板阵列，机械结构简单但质量效率低；2) 张拉膜阵列，机械结构复杂但质量效率高。可以说，目前不存在既机械简单又质量效率高的可展开太阳能阵列设计。为了满足这一需求，卷出和被动展开太阳能阵列结合了创新的结构概念与弹性记忆复合材料技术，以实现高效的包装、部署控制以及部署后的刚度和强度。卷出和被动展开太阳能阵列正被开发为未来超大型、超高效薄膜光伏太阳能阵列的关键技术。
1.1 弹性记忆复合材料
弹性记忆复合材料材料展现出许多适用于可展开空间结构的优良特性，并在美国的可展开空间结构工业界引起了广泛兴趣。迄今为止，弹性记忆复合材料材料已被制造用于可展开结构的各种部件，包括层压板和壳、开放网格桁架、拉挤成型杆和铰链。弹性记忆复合材料材料将完全固化的热固性形状记忆聚合物基体与传统纤维增强材料相结合，其特点在于能够通过特定的热机械循环"冻结"和释放诱导应变能。此外，弹性记忆复合材料材料可以实现比传统硬树脂复合材料高得多的诱导包装应变，而不会损坏纤维或树脂，这使得弹性记忆复合材料部件可以比传统设计包装得更紧凑。弹性记忆复合材料材料还具有高强度和高模量以及低密度的特点，从而可以实现轻量化的部件设计。最后，弹性记忆复合材料材料提供的存储应变能远低于传统的高应变、高刚度材料，从而显著减少了与发射约束装置相关的寄生质量。这些独特的能力目前正被用于开发高效的卷出和被动展开太阳能阵列结构系统。
1.2 薄膜光伏电池
薄膜光伏电池因其比传统刚性晶体电池具有更高的比功率、更强的抗辐射能力、更低的成本以及更高的灵活性，而在空间应用中变得更具吸引力。最常见的薄膜光伏电池由非晶硅合金或沉积在薄金属或聚酰亚胺衬底上的铜铟镓硒电池构成，从而形成非常薄、高柔性的太阳能阵列材料。采用高度简化的卷对卷加工方法来生产这些电池，这使得生产过程具有高度可扩展性，并且成本相比刚性晶体电池显著降低。迄今为止，已实现300-400 W/kg的太阳能电池比功率和大于10%的效率。
1.3 下一代可展开太阳能阵列
弹性记忆复合材料材料与薄膜光伏电池的结合，为可展开太阳能阵列的设计带来了革命性的潜力。弹性记忆复合材料材料消除了对高度复杂的展开机构、庞大的发射罐和展开控制系统的需求，而薄膜光伏阵列则支持使用简单的包装和展开技术。此外，预计架构的简单性和固态制造技术将使这些先进的弹性记忆复合材料/薄膜光伏阵列系统的制造和飞行验证成本（按每瓦在轨功率计算）降至当前晶体光伏系统的约五分之一。弹性记忆复合材料材料的形状记忆和高应变特性，结合薄膜光伏的灵活性，催生了一类全新的可卷收太阳能阵列结构，标志着对传统技术的重大突破。
二、薄膜光伏太阳能阵列概念综述
最近的文献检索揭示了美国和欧洲空间市场上数个薄膜光伏阵列的飞行开发项目。这些系统中的大多数都有大于100W/kg的比功率目标。公司的柔性太阳能发电机和公司的可折叠集成薄膜刚性阵列都采用折叠的薄膜光伏面板，并使用弹性铰链元件进行展开。公司的阵列和公司的轻型柔性太阳能阵列采用了类似的面板折叠设计，并分别通过使用形状记忆合金扭转和铰链驱动器来实现形状记忆展开。图1展示了这四种平板概念的图片和示意图。
图1. 各种薄膜光伏太阳能阵列系统
公司的柔性太阳能发电机采用了一种截然不同的方法，使用连续卷轴的概念，将薄膜光伏电池悬挂在两个主长桁之间（见图2(a)）。部署是通过使用电机和驱动机构来展开系统实现的。此外，两个主长桁由两个面对面放置的卷尺式吊杆构成，这些吊杆在部署过程中在轨道上粘合，从而形成双凸透镜形横截面（见图2(b)）。
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图2. 公司的柔性太阳能发电机 (a) 实现的结构 (b) 在轨吊杆粘合
除了公司的柔性太阳能发电机，这些概念并未展示出与传统部署技术的显著不同，因此在可实现的总功率和包装效率方面存在固有的限制。公司的概念虽然与传统部署技术有很大不同，但涉及显著的机械复杂性以及与在轨吊杆粘合步骤相关的结构性能不确定性。所有这些概念都有一个共同的局限性：由于缺乏结构深度，它们难以扩展到大型（即总功率大于15kW）尺寸，同时保持合理的展开频率（即≥0.2 Hz）。因此，这些概念都无法实际考虑用于需要极高功率的未来任务。
三、RAPDAR系统概述
卷出和被动展开太阳能阵列系统的整体布局如图3所示。该设计可扩展至1至50 kW的尺寸范围，适用于未来各种大型商业和政府太阳能阵列。卷出和被动展开太阳能阵列系统采用两根主长桁，它们为储存而被压平并卷起，并在部署过程中恢复其原始横截面。主长桁通过一系列横杆连接，形成一个中心面板。翼板附着在两个主长桁的外侧，并通过折叠到中心面板上方进行储存。随着中心面板展开，翼板打开，并通过从一侧翼尖延伸到另一侧翼尖的张紧对角拉索保持与中心面板成一个小角度。薄膜光伏毯覆盖已展开结构的长度和宽度。
图3. 卷出和被动展开太阳能阵列系统。
3.1 包装与部署概念
如图4所示，主长桁采用开缝管设计。这使得管件可以被压平并卷起。横杆和翼缘长桁由弹性材料制成，并具有开放的横截面，以便在包装过程中压平。主长桁在包装和部署过程中还起到翼板铰链的作用。翼板被折叠到中心面板上，同时压平主长桁，这将三块面板组件置于一个单一的平面构型中，然后可以卷成一个圆柱形包裹。
图4. 卷出和被动展开太阳能阵列系统主长桁。
部署力主要来源于存储在卷起的主长桁中的应变能。额外的应变能存储在其他框架元件中，这些元件被压平并卷绕成储存构型。最重要的是，主长桁被设计为在其冷态时“冻结”所有存储的应变能，并在被动地被太阳加热时以受控方式释放此能量。
当主长桁展开时，翼板由于其一体化特性而展开。展开的翼板所建立的深度，最大限度地减少了部分展开的阵列像溜溜球一样回滚的可能性。部署完成后，翼间对角拉索被张紧以稳定和加强结构。图5显示了叠加在一起的四个部署阶段。
图5. 部署阶段。
3.2 系统可扩展性
如前所述，该阵列系统可扩展至1至50 kW的尺寸。这是区别于其他薄膜光伏飞行开发项目的关键系统特性。通过结合翼板，卷出和被动展开太阳能阵列系统实现了展开后的稳定性和结构深度，这是在较大尺寸下保持合理展开频率的关键特性。此外，卷轴式包装方法充分利用了薄膜光伏的柔韧性，从而形成一个高效的阵列系统，其预期功率密度比其他薄膜光伏太阳能阵列概念高出数倍。
例如，分析表明，一个50kW版本的卷出和被动展开太阳能阵列系统将大约宽6米，长60米，总质量约为140公斤，基频为0.23 Hz。对于该系统的尺寸和质量而言，这个频率相对较高，这是一个关键的性能指标，将缓和致动与控制系统的要求。请注意，该系统的预期功率密度将超过350 W/kg，这显著高于被确定为市场需求的200 W/kg门槛。
四、RAPDAR被动部署
展开一个弹性记忆复合材料结构需要热量的存在，因为包装和部署都必须在聚合物玻璃化转变温度之上完成。历史上，弹性记忆复合材料部件集成了表面贴装加热器用于包装和部署控制。卷出和被动展开太阳能阵列的一个独特之处是利用太阳能来控制部署。这被称为被动部署，利用太阳热环境实现部署的概念显著降低了系统的复杂性，并消除了部署期间对星上电源的需求，从而提高了系统的整体效率。被动部署的可行性已通过热分析和地面测试得到验证，如下文分节所述。
4.1 分析
进行了基于地球同步轨道（GEO）的初步热分析，以估算由于被动太阳加热，主长桁将经历的最高温度、温度分布和加热速率。这些分析仅考虑了来自太阳通量的加热（即未考虑地球反照率的加热）。分析假设主长桁内表面具有裸石墨环氧树脂的光学特性，外表面为裸或白色涂层的光学特性。最后，进行了稳态和瞬态分析。
图6展示了卷筒内部指向太阳时的稳态热分析结果。温度等值线表明卷筒顶部和底部之间的温度变化超过200°C。实现的最大温度超过100°C，并出现在开缝管长桁的整个过渡区域。这是关键，因为在过渡区域恢复诱导应变才能实现长桁的展开。值得注意的是，为卷出和被动展开太阳能阵列考虑的弹性记忆复合材料形状记忆聚合物基体系统的玻璃化转变温度，以及相应的部署温度，在60至80°C之间。因此，该稳态分析表明，利用在轨太阳能实现层压板温度超过基体玻璃化温度，从而实现长桁展开是可行的。
图6. 稳态卷出和被动展开太阳能阵列热分析。
进行了初步的瞬态热分析，以估算弹性记忆复合材料长桁的加热速率，进而估算卷出和被动展开太阳能阵列系统的被动部署速率。这些分析假设长桁外表面涂有白色涂层，以帮助冷却已展开的长桁，从而使弹性记忆复合材料长桁在达到全截面（即展开）后变硬。瞬态热分析基于图7所示的单长桁模型，并假设长桁相对于太阳旋转，以模拟部署期间发生的展开运动。
图7. 外表面涂有白色涂层的瞬态长桁热分析。
图7中绘制的关键温度结果是点A和点B的温度，这两个点在包装好的长桁卷筒上相距90度。这些最小和最大温度在图8中绘制为包装长桁旋转速率（相对于太阳）的函数。结果表明，随着旋转速率的增加，卷筒的最高和最低温度趋于一致。图8表明，对于在60°C温度下展开的弹性记忆复合材料材料，可以实现0.1转/分钟的长桁部署速率。基于假定的包装几何形状，这相当于7.2 米/小时的线性部署速率。此部署速率使得50kW、60米长的阵列系统在仅8个多小时内即可完全展开。因此，分析结果证明了在单次地球同步轨道内实现卷出和被动展开太阳能阵列50kW阵列完全展开的可行性，这是太阳能阵列系统的一项关键要求。此外，热分析的一个关键结论是，由于长桁加热时间和弹性记忆复合材料长桁材料固有的粘弹性特性，卷出和被动展开太阳能阵列结构的部署速率是受限的。相比于传统的弹性应变可展开结构，这是一个显著的优势，在传统结构中，部署期间的能量控制是一个主要问题，并影响整个系统设计。
图8. 长桁部署速率与部署温度之间的关系。
4.2 地面测试
通过使用辐射加热器展开弹性记忆复合材料长桁的地面测试，进一步探索了被动部署的可行性。图9展示了双长桁部署测试装置的照片，每个长桁都包装在一个圆柱形芯轴周围，该芯轴用于在部署过程中对长桁进行排序控制。测试进行了单长桁和双长桁的部署。测试在水平和垂直方向进行，后者在卸载重力的条件下完成。调整辐射加热器，使得弹性记忆复合材料长桁达到的峰值温度与前面讨论的热分析结果一致。长桁采用三层层压板结构制造。层压板成分包括IM-7碳纤维和一种热固性环氧弹性记忆复合材料基体，其玻璃化转变温度为77°C（详情将在下一节讨论）。
图9. 双长桁部署测试。
图10展示了一根水平部署的单长桁在部署测试期间拍摄的热图像，其达到的最高温度在80-90°C范围内。使用手持式红外测温仪和宽场热成像系统监测层压板温度。单长桁在60°C时开始部署，而受控排序的双长桁在80°C时开始。推测与排序控制机构相关的摩擦和/或阻力是导致部署起始温度差异的原因。
图10. 单长桁热图像。
图11展示了两组独立的双长桁垂直部署的结果。部署（定义为已展开长桁相对于原始长桁长度的百分比）表示为时间的函数。两次测试的结果几乎相同，表明具有极好的可重复性。两次测试均使3米长的弹性记忆复合材料长桁在大约28分钟内完全展开。需要注意的是，在轨部署相关的热损失可能会降低部署速率。然而，通过降低部署温度（即弹性记忆复合材料基体的玻璃化转变温度），也很有可能实现更高的部署速率。基于这些测试以及前面描述的在轨热分析，可以合理地得出结论：被动部署完整的50kW卷出和被动展开太阳能阵列是可行的。
图11. 双长桁部署结果。
五、弹性记忆复合材料长桁设计
毫无疑问，卷出和被动展开太阳能阵列结构系统中的关键和核心要素是主长桁。如第3节所述，长桁满足了包装系统、部署系统和已展开系统设计中的多项要求。第4节讨论了如何基于长桁的被动太阳加热和部署性能考虑来选择基体材料。尽管本文未明确讨论，但长桁是主要的结构元件，为系统提供刚度、强度和尺寸稳定性。因此，这些考虑因素极大地影响了层压板的设计、长桁的横截面直径以及光学表面涂层的选择。
影响长桁设计的另一个关键包装系统要求是，长桁需要容纳弹性应变元件（例如翼缘长桁、横杆、薄膜光伏毯等）的应变能。为了在层压板设计中满足这一要求，开发了一种分析方法来预测长桁的能量存储容量。该分析考虑了层压板结构、组成材料和长桁几何形状的变化。能量存储容量本质上是长桁在其“冻结”的包装构型中可以容纳的应变能量。
能量存储容量的分析首先考虑长桁在高温下（即T > T_g）进行包装，并在随后冷却至T_g以下时，通过机械约束保持包装几何形状期间所“冻结”的应变能。接着，确定移除约束后长桁的响应，长桁从其包装形状发生的形状变化或松弛量被用来量化能量存储容量。在此工作中，能量存储容量通过包装半径与松弛（即无约束）半径的比值来量化。能量存储容量差的长桁在移除约束后会完全展开，表现出为零的能量存储容量。相反，能量存储容量为1的完美长桁在移除约束后将保持包装构型不变。
为此开发并使用的分析结合了经典层合板理论和壳体力学要素，通过比较各个单层的应变能密度来预测长桁的包装形状（即直径）。用于执行这些计算的表达式如图12所示，包括弯曲应变能、拉伸应变能（即对于在中性应变面表现出拉伸的非对称层合板）以及弯曲与拉伸耦合的非对称层合板的耦合应变能。
图12. 计算应变能密度的表达式。
为了评估长桁在容纳自身应变能以及来自系统其余部分的弹性应变能方面的性能，需分别计算长桁和弹性元件的应变能密度并求和。图13中的图表展示了一个测试样本的典型结果，该样本包含一个层和一个非层以模拟卷出和被动展开太阳能阵列系统其余部分的弹性元件。应变能绘制为包装曲率的函数，其中两者（即和非）应变能之和呈现一个最小值，对应于移除包装约束时组件应达到的平衡状态。具体而言，测试样本被包装至5.7厘米的初始直径，预测在移除包装约束后将呈现8.5厘米的最小能量半径，这对应于0.675的能量存储容量。
图13. 定义能量存储容量的和非应变能密度图。
图14展示了一个为关联图13所示分析结果而制造的测试层压板的两张照片。一张显示了诱导的包装形状，另一张显示了松弛（即无约束）形状。在此测试中，该层压板在被包装至5.7厘米半径后，移除约束时呈现了略超过7.6厘米的包装半径。该结果对应于0.75的能量存储容量，相比于预测值0.675，表明具有合理的相关性。
图14. 已包装的长桁照片。
六、总结
未来的卫星任务将需要超大型、超高效的太阳能阵列，以提供比现有太阳能阵列技术更高的功率水平、功率密度、发射包装密度和更低的单位成本。现有技术的规模化不被认为是可行的选择。卷出和被动展开太阳能阵列系统正在开发以满足这些需求。卷出和被动展开太阳能阵列结合了弹性记忆复合材料部署技术和薄膜光伏太阳能电池技术，以生产一种高效的阵列，可扩展至1至50 kW。卷出和被动展开太阳能阵列结构的关键元件是一对主长桁，它们为展开的结构提供主要刚度和强度，同时控制系统部署，并在其包装构型中容纳系统的应变能。卷出和被动展开太阳能阵列系统一个独特且具有潜在革命性的方面是利用太阳能提供必要的热能来驱动长桁，从而被动展开卷出和被动展开太阳能阵列。
本文概述了卷出和被动展开太阳能阵列系统，包括关键设计特性以及与其他薄膜光伏太阳能阵列系统的比较。此外，本文介绍了用于设计和验证卷出和被动展开太阳能阵列系统关键方面的分析和测试。具体而言，通过分析和地面测试，研究了利用在轨太阳能控制部署（即被动部署）的可行性，以及长桁容纳诱导应变能从而保持结构包装构型的能力。这些工作的主要结论如下：
热分析和地面测试共同证明了在单次地球同步轨道内被动部署全尺寸50kW卷出和被动展开太阳能阵列的可行性。 材料以及卷出和被动展开太阳能阵列本质上受速率限制。因此，通常与弹性应变可展开结构相关的过度部署能量和部署冲击的担忧得以缓解。 可以设计长桁以容纳与弹性应变元件相关的诱导应变能。因此，卷出和被动展开太阳能阵列在发射过程中应需要很少或不需要约束装置来限制包装结构。这些方面正共同应用于卷出和被动展开太阳能阵列的设计和演示中，这显示出与传统技术的明显不同，并展示了革新太阳能阵列市场的潜力。
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