国际空间站上的柔性展开式太阳能电池阵

文/钱卫

▲ 国际空间站上的ROSA目前已安装了4片（效果图）

▲ 在国际空间站上完全展开的ROSA会对原先的太阳电池造成一定遮挡

▲ DSS公司向美国宇航局高层展示ROSA技术

2022年12月，国际空间站的航天员进行了两次空间行走，其中的重要工作，就是部署新的柔性太阳能电池板（ROSA）。其中一对安装在S4桁架的3A位置，另一对安装在旧4A太阳能电池阵列的顶部。

此前的2021年6月，国际空间站航天员就在P6桁架上安装了两块柔性太阳能电池板。这件事比中国空间站展开柔性太阳能电池板晚了差不多两个月。也就是说，在这个领域，中美基本上已经是并驾齐驱了。

这4片柔性太阳电池板展开后，会对原先的太阳电池造成一定遮挡，但因为尺寸只有老电池的一半，所以老电池没有被遮挡的部分还能产生约95千瓦的总功率。2022年加装的两片新太阳翼在使用初期可产生超过28千瓦的电力，后续还要再安装一对。等全部到位后，国际空间站的发电量可能会增加到250 千瓦以上，增加30%以上。

有意思的是，美方的这项技术，发展历程还很复杂。它原本是美国空军研究试验室的一项成果，通过美国政府“小企业创新转让”机制，转让给了一家商业企业，在政府资助、商业投资和美国宇航局采购的多重资金注入下，终于形成了飞行产品。这也算是一个有美国特色的高技术研发案例。

技术开发过程

ROSA的技术来自美国空军研究试验室。2009年，DSS公司根据美国小企业创新研究计划（SBIR）和小企业技术转让机制，获得了柔性可展开太阳能电池的技术转移。SBIR先后向DSS团队提供了两个阶段的资金补助，顶格发放，总额近85万美元。在接下来的几年中，DSS获得了近20个美国宇航局的SBIR资金补助。到2014年，ROSA进入技术成熟与演示验证阶段，在美国宇航局科学技术委员会的支持下实施了功能原型机的开发，以及地面演示。地面演示证明，与当时最先进的太阳电池阵相比，ROSA具有更高的部署强度、工作电压和更大的单翼功率。

2017年，DSS与美国空军研究试验室合作，于6月在空间站上进行了一次成功的飞行演示，最终降低了实施风险，为融资铺平了道路。2017~2019年，美国宇航局继续通过科学技术委员会，向DSS提供各种资助，在不断提高ROSA质量的同时，确立了它的科学、技术和商业价值。2019年，DSS通过美国宇航局的民用商业化准备试点计划，又获得一笔额外资助，该计划侧重于加速技术注入或商业化。根据红线航天的说法，ROSA的技术成熟达到了8级乃至9级。所谓8级，就是已经通过测试，并准备好在现有系统中使用，而9级表示已经成功通过飞行验证。

ROSA是一种新型柔性毯子结构的太阳能电池。它是一种不可折叠的阵列，通过使用光伏电池和简单的结构元件，实现了高效率指标和低成本，这些结构元件可以并行卷起以存放发射。主要结构元件叫做可储存管状可延伸构件（STEM），简称STEM吊杆，其实就是一种弹性展开吊杆。吊杆由薄的高应变复合层压板碳纤维增强环氧树脂制成，可以压平并卷绕在圆柱形芯轴上，以便存放，并且足够坚硬，其形变势能可以在空间释放后把整个阵列展开。吊杆柱形芯轴和阵列根部结构之间是柔性集成模块化毯子组件（IMBA）。IMBA由轻质光伏太阳能模块和连接到网格上的电气设备组成。

▲ 发射前的ROSA

▲ 在肯尼迪航天中心准备发射的ROSA

▲ ROSA被收纳在龙飞船的货仓里

▲航天员在机械臂帮助下搬运ROSA

使用复合STEM吊杆提供展开能量，消除了传统电池阵列中的大功率电机和机构需求。这种安排，再加上易于扩展的设计，使得ROSA对广泛的空间任务具有吸引力。如果要构造一副15 千瓦的太阳阵列，与刚性面板阵列相比，ROSA将减少33%的质量和75%的装载体积。

其实，卷轴式太阳电池阵列或使用柔性光伏毯的想法都不是忽然冒出来的。国际空间站现役的8个大型太阳能电池阵就是柔性的，上世纪的“军事星”系列通信卫星也是如此。不过两者都使用复杂但坚固可靠的可展开桅杆作为展开和张紧电池阵的手段。哈勃空间望远镜上最初就打算采用卷轴式太阳能电池，称为“柔性卷起太阳能阵列”，但由于不锈钢吊杆意外发生热激振动，不得不更换成实际采用的方案。

ROSA与这些过去设计的不同之处在于，它实现了低成本和高封装效率。同时，得益于内置在阵列结构中的轻型简易化展开机构，减轻了重量。通过采用低热膨胀系数的复合层压板制成结构，可以大大减轻发生在哈勃空间望远镜上的那种热效应。

▲ 航天员解开ROSA的捆扎带

▲ 航天员正在把ROSA搬运到桁架安装位置

▲ 展开过程中的ROSA

▲ 哈勃空间望远镜已经部分采用了柔性太阳电池技术

ROSA的飞行验证

开发任何大型可部署轻型航天器结构的一个明显挑战，是找到通过地面测试验证其结构性能的方法。在有重力和空气的环境中，很难获得部署效率、结构模式，尤其是阻尼的真实测量值。为了验证预测有效性的计算机模型，可以在热真空室和卸载系统的地面上进行各种测试，但找到合适规模的测试设施是困难的，而且很难预测太空操作带来的所有复杂性。大型可部署设备的重力卸载结构本身可能需要复杂的设计和测试。因此，在可行的情况下，还是应当通过实际飞行来进行测试。

ROSA在国际空间站上的部署，是技术成熟之后的事情。真正解决ROSA技术验证问题的，是2017年的那次试验飞行，也是在国际空间站上进行的。

ROSA测试任务于2017年6月3日搭载太空探索技术公司的CRS-11空间站补给任务升空。太阳能电池阵于6月18日展开，实施了为期12天的连续测试，取得了成功。

这次飞行之后，DSS公司专门发表了论文，讨论了ROSA飞行期间的一些收获。论文中的数据来自位于太阳能阵列关键点的加速度计，以及分布在结构和光伏毯上的众多摄影测量相机。这项工作的目标是更好地理解ROSA的性能，并改进未来类似太阳能阵列设计的建模工作。特别令人感兴趣的是阵列的系统模式和模式形状、存在的结构阻尼量，以及日食期间的结构热相互作用程度。

▲ DSS公司在地面上进行ROSA展开试验

▲ 2017年飞行试验期间被机械臂夹持的ROSA

飞行试验目标和设计

ROSA飞行试验采用了一个按比例缩小的5.40米长、1.67米宽的阵列，其中部分填充了三种不同类型的太阳能电池。与后来正式用在国际空间站上的ROSA实施方式不同，飞行试验设计为在完全展开时保持复合吊杆与芯轴平齐，通过将系索和缩回电机连接到芯轴来实现缩回。整个ROSA飞行试验建立在飞行可释放附接机构上，该机构安装在龙飞船非加压船舱内部，还提供了与国际空间站机械臂的接口，用于数据和功率传输。摄像机、电源和数据管理设备连接在试验基板上，用来记录展开过程。底板还包括一个系统，该系统能够激发基板的平面外运动，来表征太阳翼的结构动力学特点。

展开机构的核心是一台步进电机和一个连接在太阳能电池阵列根部结构中心的滚珠丝杠结构。这种布置允许非常精细地控制平面外运动。同时，阵列根部两侧的导轨限制了其沿任何其他方向的移动。

发射两周后，机械臂把ROSA从龙飞船上取下，并且在整个试验期间夹持着它。机械臂的夹持，可以把ROSA保持在最大能见度和理想的照明下，还可从位于国际空间站外部的多个高清摄像机进行观察。

首先进行的，是几天的结构动力学和热/结构试验，然后转动ROSA，尽可能安全地接近太阳的垂直入射角，以测试发电情况。

在整个试验过程中，ROSA上和附近的几个摄像机都在实时拍摄，地面团队用200Hz的采样率下载了最感兴趣的试验的全套数据。这样的实时数据流允许地面控制者快速评估结果，并在飞行中对测试计划进行更改。在结构测试期间，以及在围绕昼夜周期和数据丢失规划测试时，这种安排特别有用。

这次试验实现了4个主要目标。

目标1：验证展开能力

飞行试验的第一个目标和第一个完成的目标是验证ROSA在微重力条件下自行展开的能力。在发射前，使用各种重力卸载系统在地面上进行了广泛的展开测试，但这种系统会产生额外的、不符合太空实际情况的点载荷、惯性和摩擦。

在太空进行测试的原因之一是发现“未知的未知”。国际空间站是实现这一目标的良好平台，因为它提供了五个全运动摄像机，在部署期间聚焦在ROSA上，并通过与国际空间站机械臂的连接实时查看诊断数据。

目标2：验证结构动力学

飞行试验的第二个目标是测量固有振动的基频、相应的振型及其阻尼，以帮助验证结构模型的预测。像ROSA这样的大型空间结构的动态结构响应是最难在地面上精确测量的量之一，这是因为温度、真空和重力对轻质张紧毯系统的影响。运行中的航天器是动态飞行器，通常旋转以跟踪物体，推进以维持轨道，以及调节太阳能阵列以指向太阳。任何大型附件，如太阳能阵列，都会因这些运动而变形和振动。如果附件的振动频率接近或低于航天器控制器的频率，则会导致飞行器失去姿态控制。因此，准确预测这些振动频率和临界阻尼常数非常重要。

ROSA飞行试验的设计目标，是通过允许翼根部在展开后，在两个滑块上移出平面来激发第一种结构模式。一个由内置在翼根部结构中的步进电机驱动的线性致动器，用于在试验过程中以规定的振幅和频率进行正弦平面外运动。飞行前建模和地面测试表明，这种激励应该很容易激发ROSA的主要结构模式和一些更高频率的模式。

目标3：评估热性能

ROSA飞行试验的第三个目标是测量从轨道夜间过渡到白天时，结构振动对快速温度变化的响应，反之亦然。作为一个相对较薄的结构，昼夜照明的快速变化导致整个太阳能阵列的温度骤变。如果这种快速加热发生在与结构振动自然周期相同的时间尺度上，可能会导致共振。事实上，这个问题是哈勃空间望远镜未能使用柔性太阳能阵列的主要原因。而ROSA使用了直径较大、尺寸稳定的碳纤维环氧树脂复合STEM臂架，由于复合材料的热膨胀系数较低，ROSA上预计不会出现热振动行为。

目标4：评估发电量

飞行试验的主要目的，是评估ROSA上使用的太阳能模块和加固措施的鲁棒性。诺斯罗普·格鲁曼公司、Spectrolab公司和SolAero公司提供了两个功能性太阳能电池模块，将其整合到飞行试验中。每个制造商的一个太阳能电池模块分别放置在阵列的两侧。这6串太阳能电池能够产生300W的功率，但只覆盖了太阳能阵列总表面积的10%。阵列的剩余区域填充了质量模拟器，以降低试验成本，同时准确地模拟完全填充太阳翼的质量和刚度分布。在阵列上安装有源太阳能电池模块，不是为了测试标准化太阳能电池本身，而是确保它们能够作为ROSA架构的元素在存储、发射和展开中安然无恙。通过将太阳能电池模块放置在阵列的两侧，一旦发生损坏，都会局限在一侧。

▲ 2017年试验的ROSA没能带回地球

试验结果

ROSA飞行试验取得了成功，上面说的4个科学目标均已完成。

展开

接到地面指令后，ROSA释放了其发射限制螺栓，在STEM吊杆中储存的形变能作用下，在3分21秒内展开至全长。国际空间站外部的5个摄像头和ROSA飞行试验上的4个摄像头从不同角度记录了部署情况，并验证了阵列中某些机构的功能

根据计划，ROSA需要重新卷起来，存放在龙飞船的行李箱中，带回地球进行分析。但收回太阳能电池阵的操作没有成功。2017年6月25日尝试收回，电机牵引的系索成功地将STEM吊杆和张紧的毯子滚动到存放位置的毫米范围内，但轻微的伸缩错位阻止了存放闩锁的接合。地面尝试重新展开和收拢的过程。展开和收拢的过程都很成功，但锁紧依然还是失败了。不过这并不影响美国宇航局对ROSA的评价，因为在实际部署中，是没有收回这个操作的。最后，美国宇航局决定把ROSA抛入大气层烧毁，并于2017年6月26日实施。

结构动力学

在飞行之前，两个分析小组已经创建了ROSA的有限元模型，并根据热真空室内的地面测试对这些模型进行了校准，将其用于预测ROSA的飞行中结构动力学特征。

一个意想不到的现象是，IMBA光伏毯的右边缘似乎比左边缘有更大的振幅和更低的频率。在某些激励频率下，似乎存在着左右两个不同的振型。人们推测，这种行为是由光伏毯宽度上的不均匀张力引起的，原因尚不清楚。飞行后建模中，张力沿右边缘降至接近零，产生了类似的结构模式。

美国宇航局的两个团队，一个来自兰利研究中心，另一个来自约翰逊航天中心，独立分析了4次试验中的视频记录，以提取目标位移的时间记录

热性能

在整个任务过程中，传感器不断记录STEM吊杆和太阳能电池模块的温度。除了低地球轨道上90分钟的昼夜循环外，空间站投射的大量阴影也会影响温度，有时会导致特定太阳能电池模块之间或两个吊杆之间的差异。日出期间，STEM温度在前4分钟内每分钟上升约7℃，在全太阳照射期间达到77℃的峰值。日落期间，前4分钟STEM温度每分钟下降12℃，最低温度为-46℃。

太阳能电池模块温度遵循类似，除了位于光伏毯中心附近的一个太阳能电池模块在日出前降至-55℃，比STEM更冷，其余部分的太阳能电池模块温度峰值是38℃。

发电能力

项目组通过测量每个太阳能电池模块在分流电阻器上的温度、电压和电流输出，评估了有源太阳能电池模块及其在储存、发射、数百昼夜热循环和展开10个月中的生存能力，并将阵列垂直地暴露在阳光下。

结果表明，不同的厂家的太阳能电池模块在整个过程中完全没有受损，在进入太空的过程中没有退化。

▲2017年试验期间的ROSA上配涂了各相关单位的LOGO

商业化应用

ROSA在未来的航天活动中可以得到广泛的应用。在未来的月球探测活动中，地月门户空间站将成为地球、月球和更深层空间目的地之间的中转站。这个空间站的动力和推进舱（PPE）是一种太阳能电力推进航天器，它将提供动力、高速通信、定向控制，以及将空间站移动到不同月球轨道的能力。PPE将完全由两副ROSA供电，产生60千瓦的功率。

美国宇航局的双小行星重定向试验（DART）是一项行星防御技术测试，旨在防止危险小行星撞击地球。DART主动与对地球没有威胁的目标小行星相撞，以改变其速度和路径。DART航天器的太阳能电池板需要低成本和低质量，同时能够为推进系统提供动力，于是选中了ROSA。目前，装在DART上的ROSA也飞向深空，完成了使命。单片长度达到8.53米的ROSA为DART上的离子推力器提供电力，一直飞向狄迪摩斯小行星，并且在2022年9月26日撞了上去。这次飞行虽然短暂，却证明了ROSA在深空探测中的作用。

此外，还考虑了为ROSA配套聚光器。因为在太阳光量非常低的外行星任务中，电池的发电能力会受到严重影响。聚光器可以把太阳光聚集起来，提高太阳能电池在深空低光和低温条件下的性能。聚光器的使用，可以减少太阳能电池的面积，在保持性能的同时，降低了太阳系内部任务的成本。

另外，美国卫星制造商麦克萨尔公司也在考虑，把ROSA引入地球静止轨道卫星中。相信未来会更多地在航天器上采用这种“打卷上天”的太阳能电池。

▲DART小行星探测器上使用的ROSA

▲国际空间站上安装6片ROSA的情景（效果图）