國際空間站上的柔性展開式太陽能電池陣

文/錢衛

▲ 國際空間站上的ROSA目前已安裝了4片（效果圖）

▲ 在國際空間站上完全展開的ROSA會對原先的太陽電池造成一定遮擋

▲ DSS公司向美國宇航局高層展示ROSA技術

2022年12月，國際空間站的航天員進行了兩次空間行走，其中的重要工作，就是部署新的柔性太陽能電池板（ROSA）。其中一對安裝在S4桁架的3A位置，另一對安裝在舊4A太陽能電池陣列的頂部。

此前的2021年6月，國際空間站航天員就在P6桁架上安裝了兩塊柔性太陽能電池板。這件事比中國空間站展開柔性太陽能電池板晚了差不多兩個月。也就是說，在這個領域，中美基本上已經是并駕齊驅了。

這4片柔性太陽電池板展開后，會對原先的太陽電池造成一定遮擋，但因為尺寸只有老電池的一半，所以老電池沒有被遮擋的部分還能產生約95千瓦的總功率。2022年加裝的兩片新太陽翼在使用初期可產生超過28千瓦的電力，后續還要再安裝一對。等全部到位后，國際空間站的發電量可能會增加到250 千瓦以上，增加30%以上。

有意思的是，美方的這項技術，發展歷程還很復雜。它原本是美國空軍研究試驗室的一項成果，通過美國政府“小企業創新轉讓”機制，轉讓給了一家商業企業，在政府資助、商業投資和美國宇航局采購的多重資金注入下，終于形成了飛行產品。這也算是一個有美國特色的高技術研發案例。

技術開發過程

ROSA的技術來自美國空軍研究試驗室。2009年，DSS公司根據美國小企業創新研究計劃（SBIR）和小企業技術轉讓機制，獲得了柔性可展開太陽能電池的技術轉移。SBIR先后向DSS團隊提供了兩個階段的資金補助，頂格發放，總額近85萬美元。在接下來的幾年中，DSS獲得了近20個美國宇航局的SBIR資金補助。到2014年，ROSA進入技術成熟與演示驗證階段，在美國宇航局科學技術委員會的支持下實施了功能原型機的開發，以及地面演示。地面演示證明，與當時最先進的太陽電池陣相比，ROSA具有更高的部署強度、工作電壓和更大的單翼功率。

2017年，DSS與美國空軍研究試驗室合作，于6月在空間站上進行了一次成功的飛行演示，最終降低了實施風險，為融資鋪平了道路。2017~2019年，美國宇航局繼續通過科學技術委員會，向DSS提供各種資助，在不斷提高ROSA質量的同時，確立了它的科學、技術和商業價值。2019年，DSS通過美國宇航局的民用商業化準備試點計劃，又獲得一筆額外資助，該計劃側重于加速技術注入或商業化。根據紅線航天的說法，ROSA的技術成熟達到了8級乃至9級。所謂8級，就是已經通過測試，并準備好在現有系統中使用，而9級表示已經成功通過飛行驗證。

ROSA是一種新型柔性毯子結構的太陽能電池。它是一種不可折疊的陣列，通過使用光伏電池和簡單的結構元件，實現了高效率指標和低成本，這些結構元件可以并行卷起以存放發射。主要結構元件叫做可儲存管狀可延伸構件（STEM），簡稱STEM吊桿，其實就是一種彈性展開吊桿。吊桿由薄的高應變復合層壓板碳纖維增強環氧樹脂制成，可以壓平并卷繞在圓柱形芯軸上，以便存放，并且足夠堅硬，其形變勢能可以在空間釋放后把整個陣列展開。吊桿柱形芯軸和陣列根部結構之間是柔性集成模塊化毯子組件（IMBA）。IMBA由輕質光伏太陽能模塊和連接到網格上的電氣設備組成。

▲ 發射前的ROSA

▲ 在肯尼迪航天中心準備發射的ROSA

▲ ROSA被收納在龍飛船的貨倉里

▲航天員在機械臂幫助下搬運ROSA

使用復合STEM吊桿提供展開能量，消除了傳統電池陣列中的大功率電機和機構需求。這種安排，再加上易于擴展的設計，使得ROSA對廣泛的空間任務具有吸引力。如果要構造一副15 千瓦的太陽陣列，與剛性面板陣列相比，ROSA將減少33%的質量和75%的裝載體積。

其實，卷軸式太陽電池陣列或使用柔性光伏毯的想法都不是忽然冒出來的。國際空間站現役的8個大型太陽能電池陣就是柔性的，上世紀的“軍事星”系列通信衛星也是如此。不過兩者都使用復雜但堅固可靠的可展開桅桿作為展開和張緊電池陣的手段。哈勃空間望遠鏡上最初就打算采用卷軸式太陽能電池，稱為“柔性卷起太陽能陣列”，但由于不銹鋼吊桿意外發生熱激振動，不得不更換成實際采用的方案。

ROSA與這些過去設計的不同之處在于，它實現了低成本和高封裝效率。同時，得益于內置在陣列結構中的輕型簡易化展開機構，減輕了重量。通過采用低熱膨脹系數的復合層壓板制成結構，可以大大減輕發生在哈勃空間望遠鏡上的那種熱效應。

▲ 航天員解開ROSA的捆扎帶

▲ 航天員正在把ROSA搬運到桁架安裝位置

▲ 展開過程中的ROSA

▲ 哈勃空間望遠鏡已經部分采用了柔性太陽電池技術

ROSA的飛行驗證

開發任何大型可部署輕型航天器結構的一個明顯挑戰，是找到通過地面測試驗證其結構性能的方法。在有重力和空氣的環境中，很難獲得部署效率、結構模式，尤其是阻尼的真實測量值。為了驗證預測有效性的計算機模型，可以在熱真空室和卸載系統的地面上進行各種測試，但找到合適規模的測試設施是困難的，而且很難預測太空操作帶來的所有復雜性。大型可部署設備的重力卸載結構本身可能需要復雜的設計和測試。因此，在可行的情況下，還是應當通過實際飛行來進行測試。

ROSA在國際空間站上的部署，是技術成熟之后的事情。真正解決ROSA技術驗證問題的，是2017年的那次試驗飛行，也是在國際空間站上進行的。

ROSA測試任務于2017年6月3日搭載太空探索技術公司的CRS-11空間站補給任務升空。太陽能電池陣于6月18日展開，實施了為期12天的連續測試，取得了成功。

這次飛行之后，DSS公司專門發表了論文，討論了ROSA飛行期間的一些收獲。論文中的數據來自位于太陽能陣列關鍵點的加速度計，以及分布在結構和光伏毯上的眾多攝影測量相機。這項工作的目標是更好地理解ROSA的性能，并改進未來類似太陽能陣列設計的建模工作。特別令人感興趣的是陣列的系統模式和模式形狀、存在的結構阻尼量，以及日食期間的結構熱相互作用程度。

▲ DSS公司在地面上進行ROSA展開試驗

▲ 2017年飛行試驗期間被機械臂夾持的ROSA

飛行試驗目標和設計

ROSA飛行試驗采用了一個按比例縮小的5.40米長、1.67米寬的陣列，其中部分填充了三種不同類型的太陽能電池。與后來正式用在國際空間站上的ROSA實施方式不同，飛行試驗設計為在完全展開時保持復合吊桿與芯軸平齊，通過將系索和縮回電機連接到芯軸來實現縮回。整個ROSA飛行試驗建立在飛行可釋放附接機構上，該機構安裝在龍飛船非加壓船艙內部，還提供了與國際空間站機械臂的接口，用于數據和功率傳輸。攝像機、電源和數據管理設備連接在試驗基板上，用來記錄展開過程。底板還包括一個系統，該系統能夠激發基板的平面外運動，來表征太陽翼的結構動力學特點。

展開機構的核心是一臺步進電機和一個連接在太陽能電池陣列根部結構中心的滾珠絲杠結構。這種布置允許非常精細地控制平面外運動。同時，陣列根部兩側的導軌限制了其沿任何其他方向的移動。

發射兩周后，機械臂把ROSA從龍飛船上取下，并且在整個試驗期間夾持著它。機械臂的夾持，可以把ROSA保持在最大能見度和理想的照明下，還可從位于國際空間站外部的多個高清攝像機進行觀察。

首先進行的，是幾天的結構動力學和熱/結構試驗，然后轉動ROSA，盡可能安全地接近太陽的垂直入射角，以測試發電情況。

在整個試驗過程中，ROSA上和附近的幾個攝像機都在實時拍攝，地面團隊用200Hz的采樣率下載了最感興趣的試驗的全套數據。這樣的實時數據流允許地面控制者快速評估結果，并在飛行中對測試計劃進行更改。在結構測試期間，以及在圍繞晝夜周期和數據丟失規劃測試時，這種安排特別有用。

這次試驗實現了4個主要目標。

目標1：驗證展開能力

飛行試驗的第一個目標和第一個完成的目標是驗證ROSA在微重力條件下自行展開的能力。在發射前，使用各種重力卸載系統在地面上進行了廣泛的展開測試，但這種系統會產生額外的、不符合太空實際情況的點載荷、慣性和摩擦。

在太空進行測試的原因之一是發現“未知的未知”。國際空間站是實現這一目標的良好平臺，因為它提供了五個全運動攝像機，在部署期間聚焦在ROSA上，并通過與國際空間站機械臂的連接實時查看診斷數據。

目標2：驗證結構動力學

飛行試驗的第二個目標是測量固有振動的基頻、相應的振型及其阻尼，以幫助驗證結構模型的預測。像ROSA這樣的大型空間結構的動態結構響應是最難在地面上精確測量的量之一，這是因為溫度、真空和重力對輕質張緊毯系統的影響。運行中的航天器是動態飛行器，通常旋轉以跟蹤物體，推進以維持軌道，以及調節太陽能陣列以指向太陽。任何大型附件，如太陽能陣列，都會因這些運動而變形和振動。如果附件的振動頻率接近或低于航天器控制器的頻率，則會導致飛行器失去姿態控制。因此，準確預測這些振動頻率和臨界阻尼常數非常重要。

ROSA飛行試驗的設計目標，是通過允許翼根部在展開后，在兩個滑塊上移出平面來激發第一種結構模式。一個由內置在翼根部結構中的步進電機驅動的線性致動器，用于在試驗過程中以規定的振幅和頻率進行正弦平面外運動。飛行前建模和地面測試表明，這種激勵應該很容易激發ROSA的主要結構模式和一些更高頻率的模式。

目標3：評估熱性能

ROSA飛行試驗的第三個目標是測量從軌道夜間過渡到白天時，結構振動對快速溫度變化的響應，反之亦然。作為一個相對較薄的結構，晝夜照明的快速變化導致整個太陽能陣列的溫度驟變。如果這種快速加熱發生在與結構振動自然周期相同的時間尺度上，可能會導致共振。事實上，這個問題是哈勃空間望遠鏡未能使用柔性太陽能陣列的主要原因。而ROSA使用了直徑較大、尺寸穩定的碳纖維環氧樹脂復合STEM臂架，由于復合材料的熱膨脹系數較低，ROSA上預計不會出現熱振動行為。

目標4：評估發電量

飛行試驗的主要目的，是評估ROSA上使用的太陽能模塊和加固措施的魯棒性。諾斯羅普·格魯曼公司、Spectrolab公司和SolAero公司提供了兩個功能性太陽能電池模塊，將其整合到飛行試驗中。每個制造商的一個太陽能電池模塊分別放置在陣列的兩側。這6串太陽能電池能夠產生300W的功率，但只覆蓋了太陽能陣列總表面積的10%。陣列的剩余區域填充了質量模擬器，以降低試驗成本，同時準確地模擬完全填充太陽翼的質量和剛度分布。在陣列上安裝有源太陽能電池模塊，不是為了測試標準化太陽能電池本身，而是確保它們能夠作為ROSA架構的元素在存儲、發射和展開中安然無恙。通過將太陽能電池模塊放置在陣列的兩側，一旦發生損壞，都會局限在一側。

▲ 2017年試驗的ROSA沒能帶回地球

試驗結果

ROSA飛行試驗取得了成功，上面說的4個科學目標均已完成。

展開

接到地面指令后，ROSA釋放了其發射限制螺栓，在STEM吊桿中儲存的形變能作用下，在3分21秒內展開至全長。國際空間站外部的5個攝像頭和ROSA飛行試驗上的4個攝像頭從不同角度記錄了部署情況，并驗證了陣列中某些機構的功能

根據計劃，ROSA需要重新卷起來，存放在龍飛船的行李箱中，帶回地球進行分析。但收回太陽能電池陣的操作沒有成功。2017年6月25日嘗試收回，電機牽引的系索成功地將STEM吊桿和張緊的毯子滾動到存放位置的毫米范圍內，但輕微的伸縮錯位阻止了存放閂鎖的接合。地面嘗試重新展開和收攏的過程。展開和收攏的過程都很成功，但鎖緊依然還是失敗了。不過這并不影響美國宇航局對ROSA的評價，因為在實際部署中，是沒有收回這個操作的。最后，美國宇航局決定把ROSA拋入大氣層燒毀，并于2017年6月26日實施。

結構動力學

在飛行之前，兩個分析小組已經創建了ROSA的有限元模型，并根據熱真空室內的地面測試對這些模型進行了校準，將其用于預測ROSA的飛行中結構動力學特征。

一個意想不到的現象是，IMBA光伏毯的右邊緣似乎比左邊緣有更大的振幅和更低的頻率。在某些激勵頻率下，似乎存在著左右兩個不同的振型。人們推測，這種行為是由光伏毯寬度上的不均勻張力引起的，原因尚不清楚。飛行后建模中，張力沿右邊緣降至接近零，產生了類似的結構模式。

美國宇航局的兩個團隊，一個來自蘭利研究中心，另一個來自約翰遜航天中心，獨立分析了4次試驗中的視頻記錄，以提取目標位移的時間記錄

熱性能

在整個任務過程中，傳感器不斷記錄STEM吊桿和太陽能電池模塊的溫度。除了低地球軌道上90分鐘的晝夜循環外，空間站投射的大量陰影也會影響溫度，有時會導致特定太陽能電池模塊之間或兩個吊桿之間的差異。日出期間，STEM溫度在前4分鐘內每分鐘上升約7℃，在全太陽照射期間達到77℃的峰值。日落期間，前4分鐘STEM溫度每分鐘下降12℃，最低溫度為-46℃。

太陽能電池模塊溫度遵循類似，除了位于光伏毯中心附近的一個太陽能電池模塊在日出前降至-55℃，比STEM更冷，其余部分的太陽能電池模塊溫度峰值是38℃。

發電能力

項目組通過測量每個太陽能電池模塊在分流電阻器上的溫度、電壓和電流輸出，評估了有源太陽能電池模塊及其在儲存、發射、數百晝夜熱循環和展開10個月中的生存能力，并將陣列垂直地暴露在陽光下。

結果表明，不同的廠家的太陽能電池模塊在整個過程中完全沒有受損，在進入太空的過程中沒有退化。

▲2017年試驗期間的ROSA上配涂了各相關單位的LOGO

商業化應用

ROSA在未來的航天活動中可以得到廣泛的應用。在未來的月球探測活動中，地月門戶空間站將成為地球、月球和更深層空間目的地之間的中轉站。這個空間站的動力和推進艙（PPE）是一種太陽能電力推進航天器，它將提供動力、高速通信、定向控制，以及將空間站移動到不同月球軌道的能力。PPE將完全由兩副ROSA供電，產生60千瓦的功率。

美國宇航局的雙小行星重定向試驗（DART）是一項行星防御技術測試，旨在防止危險小行星撞擊地球。DART主動與對地球沒有威脅的目標小行星相撞，以改變其速度和路徑。DART航天器的太陽能電池板需要低成本和低質量，同時能夠為推進系統提供動力，于是選中了ROSA。目前，裝在DART上的ROSA也飛向深空，完成了使命。單片長度達到8.53米的ROSA為DART上的離子推力器提供電力，一直飛向狄迪摩斯小行星，并且在2022年9月26日撞了上去。這次飛行雖然短暫，卻證明了ROSA在深空探測中的作用。

此外，還考慮了為ROSA配套聚光器。因為在太陽光量非常低的外行星任務中，電池的發電能力會受到嚴重影響。聚光器可以把太陽光聚集起來，提高太陽能電池在深空低光和低溫條件下的性能。聚光器的使用，可以減少太陽能電池的面積，在保持性能的同時，降低了太陽系內部任務的成本。

另外，美國衛星制造商麥克薩爾公司也在考慮，把ROSA引入地球靜止軌道衛星中。相信未來會更多地在航天器上采用這種“打卷上天”的太陽能電池。

▲DART小行星探測器上使用的ROSA

▲國際空間站上安裝6片ROSA的情景（效果圖）