太阳电池阵布局对微小卫星结构特性影响

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1、第28卷第4期航天器环境工程太阳电池阵布局对微小卫星结构特性影响郑侃1，廖文和1，张翔2(1．南京航空航天大学机电学院，南京210016；2．南京航空航天大学高新技术研究院，南京210016)摘要：通过对比某型号微小卫星两种体装式太阳电池阵布局及连接方式，从结构响应灵敏度的角度分析了结构的阻尼对整星顶板太阳敏感器测点加速度响应的影响程度。同时对两种方案整星的正弦振动试验结果对比分析，结果显示：减少侧板固定连接点且增加电池片数量的方案使其硕板部分测点响应超出了设备试验条件，且比初始设计方案测点的响应高

2、出了27．1％，纵向和横向一阶频率均有不同程度的降低。因此，从结构特性的角度来看，初始设计方案更为合理。关键词：微小卫星；太阳电池阵；灵敏度分析：振动试验中图分类号：V423．4．4文献标识码：A文章编号：1673—1379(2011)04-0349--04DoI：103969／jissn．1673—1379201104．0080引言近年来发射的航天器中，除了极少数以燃料电池、核能以及一次性化学电池组作为能源外，大多采用太阳电池阵和蓄电池联合供电的方式。太阳电池阵具有功率大、寿命长、重量小、构造简单

3、可靠等一系列优点，非常适合作为微小卫星的空间电源【l。J。太阳电池阵的构造形式各异，总的来说可分为体装式和展开式两大类[4-5l。由于本文所涉及的微小卫星的功率消耗较小，因此采用体装式太阳电池阵和蓄电池联合供电的方式。所有的太阳电池均直接安装在六面体卫星的表面上。由于该微小卫星采用三轴稳定方式，因此对六面体上的太阳电池阵的设计有较高要求。从提高电能的角度希望尽可能增加侧板上电池片的数量，但电池片数量的增加又势必会减少侧板与骨架之间的固定连接件，这将会对整星的结构特性产生一定的影响，而且仅凭设计者的经

4、验很难判断这种影响程度，故必须对其进行有效的理论分析和试验验证。1方案介绍该微小卫星共有6块体装式太阳电池阵，并将其固定在侧板上。方案1为初始方案。方案2是在方案l的基础上减少了8个用于固定的M5螺钉，增加了侧板上太阳电池片的数量(如图1所示)，从而可提高平均输出功率。该微小卫星有2块侧板安装了太阳敏感器，为方便说明，将其定义为太阳电池板B，其余4块定义为太阳电池板A。表1列出了两种方案的电性能参数。f』1L{^R1-n7＆板A辅．／＼(a)方案1Co)方案2图1两种方案下太阳电池阵布局示意图Fig

5、1Layoutsofthesolarcellarrayintwoschemes表1两种方案的电性能参数对比TablelComparisonofelectricperformanceparametersbctweentwoschemes收稿日期：2011-01．18；修回日期：2011-03-09作者简介：郑侃(1983一)，男，博士研究生，主要从事微小卫星结构设计。E-mail：zk92800@nuan．edu．cn鼬黼黼航天器环境工程第28卷2理论分析计算2．1有限元模型的建立建立方案l的整星有限

6、元模型。由于其主承力结构中采用了大量的铝蒙皮蜂窝夹层材料，而通常的有限元分析软件中没有与之对应的单元库，故采用三明治夹心理论进行等效处理。适配器是卫星与火箭的连接装置，其上下框为铝板结构，通过包带连接。由于包带具备一定的刚度和强度，因此用一个bush单元对适配器进行简化，其参数为试验值。适配器上下框采用四节点板单元，为了与整星结构的单元相协调，其单元大小与主承力结构板单元一致。另外，由主传力路径可知，无论是纵向还是横向激励，隔板和底板上载荷都较大，特别是在两者与适配器的连接处可能出现较强的应力集中现

7、象，因此在建模过程中应尽量考虑节点单元的协调性。星上各单机均按集中质量处理，而电缆和接插件按非结构质量考虑。简化后的整星有限元模型如图2所示。图2整星力学分析有限元模型Fig2FEMmodelforthesatellite为了获得该微小卫星的响应特性，在方案1的基础上研制了结构星，并对其进行了有限元仿真分析和动力学试验。两种验证方式的结果均表明：在横向振动时，卫星的顶板部分测点的响应接近该板上设备的试验条件。以太阳敏感器为例，其附近的测点在Y向正弦验收级试验条件下的加速度响应峰值达到了12．26g，

8、接近该仪器Y向加速度15g的试验条件。由于两种方案其结构阻尼的变化势必对顶板的响应以及整星的基频产生一定的影响，因此本文从结构响应灵敏度的角度分析了结构的阻尼对顶板太阳敏感器测点响应的影响程度。2．2卫星振动响应灵敏度分析计算结构灵敏度分析是结构优化中的一项重要工作，它是利用泰勒展开式的一次或二次项估计质量、阻尼、刚度和设计变量的变化与模态参数以及响应之间的相关关系。由于本文所涉及的工程问题难以得到结构响应的表达式，因此该结构灵敏度的计算采用基于有限元技术的差分运算来