一種平流層氣球太陽能板安裝架結構設計

仝允 王平安 朱善璋

摘要：針對某平流層自由氣球太陽能板的結構及安裝特點，設計了一種太陽能板安裝架，從結構形式、材料與工藝、有限元分析等方面進行了詳細闡述。此外，設計樣機完成了隨氣球系統裝機升空飛行測試，結果表明該安裝架滿足剛強度、模塊化、輕量化、運輸性等設計要求。本設計方案可以為同類型的平流層氣球太陽能板安裝結構的設計提供參考。

關鍵詞：平流層氣球;太陽能板;安裝架;結構設計

一、引言

自由氣球是一種浮空器，其本身無動力，僅依靠內部比空氣輕的氣體使自身產生向上的浮力飛行[1]。由于其飛行高度高、滯空時間長、研制成本低等特點，受到了空間科技研究者們越來越多的青睞[2]。平流層自由氣球的長時駐空需要充足的能源來滿足系統的用電，太陽能電池是維持平流層氣球長航時飛行任務的關鍵[3]。自由氣球系統獨特的結構與形式，對太陽能電池的安裝提出了輕量化、模塊化、運輸性、剛強度等要求，基于此，本文設計了一種平流層氣球太陽能板的安裝架結構。

二、設計要求

平流層氣球太陽能板安裝架的設計應滿足：

a. 剛強度要求。需滿足1.5倍強度安全系數，最大變形不大于150mm;

b. 輕量化要求。安裝架總重量不超過15kg;

c. 模塊化要求。安裝架可模塊化拆卸和組裝，滿足運輸要求。

三、結構設計

該平流層氣球系統所需太陽能板共12塊，單塊板長×寬為820×820mm。吊艙為鋁型材搭接的框架結構，長×寬×高為600×600×600mm，內部安裝任務載荷。

為適應吊艙結構，將太陽能板均勻分散地布置在吊艙周圍，太陽能板與吊艙上表面齊平，如圖1所示。吊艙處于正中間，安裝架設計成4組“L模塊”，通過組裝形成完整的太陽能板安裝架，實現模塊化設計，方便拆卸與組裝，提高維修性。

其中，每組“L模塊”由3塊太陽能板組成，整體長×寬為1845×1845mm，滿足一般運輸車的運輸尺寸限制要求。考慮到剛強度及減重要求，框架采用規格為15×15×1.5mm的2A12角鋁型材，斜撐采用規格為20×20×2.8mm的2A12角鋁型材型材。在框架上設計安裝孔，和太陽能板安裝孔位置一一對應，太陽能板和框架通過強力繩綁扎固定，通過“剛柔耦合”連接，可以有效釋放應力，避免其它如螺接、膠接等剛性連接造成的應力集中等弊端[4]。“L模塊”內部的型材間均通過鉚釘連接，整體牢固美觀，同時減少了標準件的重量;對于4組“L模塊”之間及和吊艙的連接均通過螺釘固定，方便拆卸和組裝。

四、有限元分析

本設計方案中，太陽能板安裝架重12kg，太陽能板重5kg，吊艙及內部設備共重132kg。此外，在氣球升空飛行時受到最大7m/s的垂直風載作用。

太陽能板安裝架和吊艙結構材料屬性如表1。用Abaqus軟件，采用梁單元建立太陽能板安裝架和吊艙的有限元模型，將吊艙上平面框架固定約束，對模型進行加載，其中風載以面載荷的形式均勻施加在太陽能板上。

仿真計算結果如圖2所示。在升空飛行過程中，最大應力為109MPa，位于太陽能板安裝架和吊艙連接的根部，強度安全系數為3.57，滿足強度設計要求;最大變形為129mm，位于太陽能板安裝架的無斜撐支撐的最遠端，滿足最大變形設計要求。

五、結束語

介紹了一種平流層氣球太陽能板安裝架的結構設計，通過Abaqus有限元軟件校核了安裝架的剛強度，均滿足設計要求，設計樣機完成了該平流層氣球系統裝機飛行，圓滿完成任務。同時，模塊化、輕量化、剛柔耦合設計等思路均在設計過程中得到充分運用與實現，本設計方案可為同類型的平流層氣球太陽能板安裝結構的設計提供參考。

參考文獻：

[1]俞朝陽，李源源. 浮空器學科發展研究[C]. 2014-2015航空科學技術學科發展報告.2016：27-50.