鄭宗勇,王治易,張崇峰,董 毅,張 雷,張 武

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109; 2.上海航天技術研究院,上海 201109)

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天宮二號空間實驗室半剛性太陽電池翼延壽技術研究

鄭宗勇1,王治易1,張崇峰2,董 毅1,張 雷1,張 武1

(1.上海宇航系統(tǒng)工程研究所,上海 201109; 2.上海航天技術研究院,上海 201109)

因半剛性太陽電池翼地面貯存設計壽命為3～5年，針對天宮二號空間實驗室推遲發(fā)射后面臨的半剛性太陽電池翼延壽問題，對其延壽技術進行了研究。分析了太陽電池翼地面貯存中環(huán)境、電池電路、基板結構、碳纖維材料、玻璃纖維浸漬有機硅樹脂材料，以及膠粘劑與其它材料等主要因素的影響。采取了太陽翼在高純度氮氣包裝箱中貯存、包裝箱置于溫濕度控制的環(huán)境中、縮短太陽翼在包裝箱外裝配與測試時間，以及對電池模塊進行100%裂片檢查等措施。策劃了組件級和整機級的延壽可靠性增長試驗項目，并進行了可靠性增長試驗驗證。分析結果表明：在經(jīng)歷了6年多的地面存儲后，太陽電池翼各項檢查和測試結果均合格，可滿足發(fā)射任務的要求，措施有效。研究為后續(xù)其它航天器半剛性太陽翼產(chǎn)品經(jīng)歷長期貯存的延壽提供了技術支撐。

天宮二號空間實驗室； 太陽電池翼； 半剛性； 地面貯存； 延壽； 可靠性增長； 壽命評估

0 引言

天宮二號空間實驗室采用半剛性太陽電池翼，半剛性太陽電池翼具備耐低軌空間環(huán)境適應性好(抗原子氧、溫度交變和等離子環(huán)境)、耐高壓和長壽命等優(yōu)勢，是航天器新一代高性能的太陽電池翼，已成功在天宮一號目標飛行器上得到了應用考核[1]。我國在研制生產(chǎn)天宮一號目標飛行器時，同時也生產(chǎn)了一套備份產(chǎn)品，隨著天宮一號目標飛行器任務的圓滿成功，備份產(chǎn)品解除了原有的使命。為降低研制成本，加快研制進度，在這個備份產(chǎn)品的基礎上研制天宮二號空間實驗室。由于半剛性太陽電池翼地面貯存設計壽命為3～5年，推遲發(fā)射導致發(fā)射時間超出了太陽電池翼貯存壽命的時間要求，太陽電池翼能否可靠應用，性能是否穩(wěn)定，成為了一個新問題。解決此問題的關鍵是延壽。

產(chǎn)品的貯存與延壽工作主要是指在保證產(chǎn)品功能的情況下，對產(chǎn)品進行貯藏、保存，以及使用狀態(tài)下的壽命和可靠性試驗驗證評估，并提供產(chǎn)品貯存或延長壽命的設計方案，采取相應的維修和管理措施，使產(chǎn)品的壽命更長、更可靠。多數(shù)裝備具有長期貯存，一次使用的特點，而延壽可帶來較大的經(jīng)濟效益[2-4]。為保證裝備的完好率，國外普遍采取定壽與延壽結合的策略[5-6]。長期以來，貯存延壽相關試驗較多地應用于我國武器裝備領域，對航天器產(chǎn)品，一般都是研制完成后直接發(fā)射，很少有貯存延壽的需求。目前，國內的航天器中，螢火一號火星探測器(推遲了2年發(fā)射)進行了產(chǎn)品貯存與延壽的技術研究[7]。但螢火一號火星探測器采用了剛性太陽電池翼，國內對半剛性太陽電池翼的延壽還缺少研究，國外關于半剛性太陽電池翼的地面延壽資料也非常少。為此，本文對半剛性太陽電池翼在地面貯存影響因素與延壽工作進行了分析，采取了延壽措施，確定并策劃了延壽可靠性增長試驗工作項目，開展太陽電池翼組件及材料的可靠性增長試驗，對半剛性太陽電池翼的延壽技術進行了研究，為后續(xù)其它航天器經(jīng)歷長期貯存及延壽提供技術支撐。

1 產(chǎn)品組成

半剛性太陽電池翼由半剛性基板和電池電路組成，預張緊玻璃纖維網(wǎng)格面板加復合材料框架形成基板，電池模塊與基板的安裝組合采用固定釘與基板網(wǎng)格鉤掛的方法。與剛性太陽電池翼相比，半剛性太陽電池翼具有電池模塊可更換的優(yōu)勢。

半剛性基板由碳纖維增強復合材料框架、壓緊套接頭、壓緊套、玻璃纖維網(wǎng)、鉸鏈支座等零部件組成，如圖1所示。其中：玻璃纖維網(wǎng)通過膠接固定在框架上；基板壓緊套為鈦合金材料。

圖1 半剛性電池翼局部Fig.1 Partial semi-rigid solar array

2 影響產(chǎn)品貯存壽命的主要因素

根據(jù)文獻[8]中存儲壽命的規(guī)定，空間用太陽電池陣在溫度(20±5) ℃、相對濕度小于60%、潔凈度10萬級條件下存儲，存儲期為3～5年。鑒于天宮二號空間實驗室半剛性太陽電池翼將經(jīng)歷6年(我國航天器太陽電池翼有史以來最長的一次)以上的地面長期貯存，對太陽翼結構部分及電池電路進行延壽評估是為消除或降低地面長期存儲帶來的風險，以確定該產(chǎn)品經(jīng)歷長期貯存后，各項性能指標是否仍滿足飛行任務需求，保證產(chǎn)品的可靠性。

半剛性太陽電池翼主要的組件及材料包括：太陽電池電路(含電池模塊及其元器件)、碳纖維材料、玻璃纖維材料、膠粘劑、樹脂、金屬材料(TC4和鋁合金)和其它材料。本文根據(jù)太陽翼的電池電路、基板采用的各種材料，以及性能指標等，重點對半剛性太陽電池翼地面長期存儲的壽命主要影響因素和可測試性進行了研究。

2.1 環(huán)境影響

溫度變化會引起產(chǎn)品內不同材料的膨脹變化，產(chǎn)生應力，溫度變化影響高分子聚合物材料老化，影響霉菌生長和對金屬材料的腐蝕。同時，溫度還會促使其它環(huán)境因素對貯存可靠性產(chǎn)生影響。濕度會使金屬材料構件尤其是鍍膜件表面腐蝕，潮氣會使導線及電纜絕緣體退化，電連接器接觸不良。因此，環(huán)境溫濕度是影響產(chǎn)品貯存的重要因素。

2.2 電池電路

根據(jù)文獻[9]中的定義，電子元器件有效貯存期為元器件裝機前在規(guī)定的條件下允許貯存的時間。通過復核已裝機電池電路的元器件有效期，使太陽電池電路使用的元器件裝機時均在有效期內。電性能輸出是電池電路的重要指標，直接影響發(fā)電功率，長期貯存需要對電池電路的發(fā)電性能進行確認。

電池模塊與基板網(wǎng)格的固定采取鉤掛/外角點膠的方法，在電池模塊的玻璃蓋片表面粘貼金屬掛鉤，掛鉤以不同方向與基板的網(wǎng)格進行固定。固定釘?shù)恼辰訌姸戎苯佑绊戨姵仉娐返某休d能力能否滿足力學環(huán)境的要求。固定釘?shù)恼辰訌姸仁前雱傂蕴栯姵匾淼囊粋€重要指標，需確認其長期貯存導致的變化。

2.3 基板結構

基板的外觀直接影響產(chǎn)品的性能，要求清潔、無污染，玻璃纖維網(wǎng)無折斷、無多余毛刺，表面浸膠均勻，粘接處無脫膠。

對半剛性基板來說，玻璃纖維網(wǎng)的張緊力是重要的指標參數(shù)，通過測量玻璃纖維網(wǎng)的位移，并對測試數(shù)據(jù)進行對比，可確定玻璃纖維網(wǎng)是否松弛。一方面因網(wǎng)格面板處于張緊狀態(tài)，長期的地面環(huán)境存儲，其張緊力的變化還需確認；另一方面可通過整翼模態(tài)試驗測定基板的模態(tài)值間接反映。同時，基板的絕緣導通性能直接影響產(chǎn)品在軌安全，需對基板的導通絕緣性能進行確認。

半剛性基板的產(chǎn)品膠接性能是基板結構框架在力學環(huán)境中承載能力的重要因素，長期地面環(huán)境存儲后，應對膠接性能狀態(tài)進行確認，保證膠接強度的可靠性。

2.4 碳纖維材料

基板結構部分主要采用碳纖維復合材料，碳纖維材料具有小質量、高強度、高模量、耐高溫等多種優(yōu)異性能，但也有有機材料固有的吸濕變形、不耐濕熱等缺點。根據(jù)文獻[10]的要求，碳纖維復合材料原料地面存儲有效期為8.75年。碳纖維材料在經(jīng)歷試驗后強度降低，降幅小于10%。根據(jù)強度分析結果，太陽電池翼最小剩余強度系數(shù)為3，即使強度下降30%～50%后仍能滿足剩余強度系數(shù)大于1的要求，因此可認為碳纖維能滿足6年存儲壽命要求。

2.5 玻璃纖維浸漬有機硅樹脂材料

半剛性基板采用了玻璃纖維網(wǎng)，主要為電池模塊提供載體，是半剛性基板的關鍵產(chǎn)品。未浸膠的高強玻璃纖維材料受水汽影響而導致其力學性能下降。半剛性基板的玻璃纖維網(wǎng)由于浸漬了有機硅樹脂，玻璃纖維網(wǎng)被全部包覆，無法直接接觸空氣中的水分。在地面貯存期間，通過放置干燥劑和充氮氣密封保存，達到了進一步避免與水汽接觸的效果。

2.6 膠粘劑和其它材料

太陽電池翼結構的膠粘劑主要為J-133膠，經(jīng)復查膠粘劑均在有效期內。其它材料包括聚酰亞胺、鋁合金和鈦合金，均具備地面長期存儲的性能。因缺少基板上壓緊套鍍層地面存儲壽命數(shù)據(jù)，需對早期生產(chǎn)的壓緊套鍍膜件進行試驗，驗證鍍膜層的結合強度性能是否滿足長期存儲要求。

3 地面貯存延壽措施

根據(jù)需求，半剛性太陽翼電池電路和結構部分地面存儲期為約6年。為保證地面貯存可靠性，針對上述情況及分析，采取如下措施。

a)將太陽電池翼置于專用包裝箱內貯存，內充優(yōu)于99.99%的高純度氮氣，放入干燥劑以防潮，每天監(jiān)測包裝箱的壓力數(shù)據(jù)，確保箱內氮氣充足。當箱內壓力下降至下限值(下限值為1 kPa，第一次充氣壓力應達到1.5 kPa，正常使用過程中壓力應滿足1～2 kPa)時立即按規(guī)定充入干燥氮氣。

b)將包裝箱放置于潔凈度滿足10萬級、相對濕度不大于60%、溫度(20±5) ℃的總裝廠房，采用專用的溫濕度測試儀進行記錄，提供24 h溫濕度數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)存檔隨產(chǎn)品交付時提交。為產(chǎn)品的地面長期貯存提供最優(yōu)的貯存環(huán)境，將長期地面貯存環(huán)境的不利影響降至最小。同時定期進行太陽電池翼的電性能檢查，一般兩次檢查間隔不大于1年。

c)在后續(xù)太陽翼裝配、測試試驗中，進一步優(yōu)化流程，縮短太陽電池翼在包裝箱外存儲的時間，控制存放環(huán)境的溫濕度和潔凈度。

d)對電池模塊進行100%裂片檢查，剔除不合格品或超期產(chǎn)品，進行電池模塊更換，確保產(chǎn)品可靠性。

4 可靠性增長試驗策劃

通過上述太陽電池翼產(chǎn)品各種組件及材料與地面長期存儲相關的因素及可測試性的研究分析，確定了太陽翼可靠性增長試驗項目，主要包括兩個方面：一是產(chǎn)品的可測試項目；另一是產(chǎn)品特性中與貯存相關，但不能直接測試的項目(測試會破壞產(chǎn)品)，可通過早期同類產(chǎn)品佐證。對可靠性評估，因早期產(chǎn)品樣本量少、試驗時間有限，主要進行以下工作。

a)組件級摸底試驗：針對電池模塊陪片(同批次產(chǎn)品)進行下電極焊接強度、固定釘粘接強度等試驗考核，驗證同批次產(chǎn)品是否達到可靠性要求；針對壓緊套鍍膜件進行結合強度測試，考核鍍膜件是否達到可靠性要求。

b)整機級摸底試驗：針對早期EM板和早期投產(chǎn)同類產(chǎn)品進行發(fā)電性能測試及模態(tài)測試、張緊力測試，參加正樣整器振動試驗，考核產(chǎn)品的電性能狀態(tài)和結構強度。

可靠性增長試驗項目策劃見表1。

5 可靠性增長試驗驗證情況

5.1 電池模塊陪片

電池模塊隨爐陪片是與正樣同批次的備份產(chǎn)品，與電池電路正樣產(chǎn)品同時放入包裝箱貯存，可對其進行固定釘拉力及電池下電極焊點拉力等(正樣產(chǎn)品不可測項目)的測試，測試數(shù)據(jù)能作為太陽電池翼電池電路經(jīng)地面長期貯存后性能的旁證。

2014年12月，對存儲4年8個月的電池模塊陪片進行了固定釘拉力測試和電池下電極焊點拉力測試。結果表明：固定釘水平方向和垂直方向拉力測試值最小為57.6 N，均大于30 N的要求，數(shù)據(jù)具有較好的一致性、狀態(tài)穩(wěn)定。對電池模塊隨爐陪片解剖后，用焊點拉力測試儀45°方向逐個測試焊點的焊接拉力，結果表明：互連片拉脫后，每個焊點表面有銀殘留，符合要求。

5.2 壓緊套鍍膜件

2014年12月，對2004年投產(chǎn)的3個壓緊套鍍膜件進行了外觀檢查和強度測試(地面存儲期已達10年)，其存儲環(huán)境為普通室內大氣環(huán)境，較太陽翼基板上鍍膜件的存儲環(huán)境更惡劣。對該批產(chǎn)品進行性能測試，可判定正樣產(chǎn)品地面存儲6年的產(chǎn)品性能。

鍍膜層結合強度的測試方法是將試件與鋁合金對偶件用E7膠在鍍層面上粘貼后，用萬能力學試驗機進行拉伸試驗。試驗參照ASTMC-633 熱噴涂圖層的結合強度測試標準進行。根據(jù)設計，在3 kN壓緊力狀態(tài)下，涂層與基體間的結合強度需滿足以下要求鍍膜測試結果見表2。外觀檢查發(fā)現(xiàn)，壓緊套鍍膜件的外觀表面平整、均勻、潔凈、無破損；涂層與基體的結合強度均滿足大于10.98 MPa的要求，能滿足使用要求。

表1 延壽可靠性增長試驗評估表

表2 鍍膜件測試數(shù)據(jù)

5.3 早期EM板

早期EM板產(chǎn)品(2008年4月生產(chǎn))，至2014年12月在地面貯存已有6年8個月時間，根據(jù)其電性能及電池下電極焊點拉力的測試結果，可外推電池電路地面經(jīng)長期貯存后電性能狀態(tài)。

測試結果表明：電池電路電性能變化范圍為+0.88%～-0.59%，在測試誤差(小于±2%)范圍內，各類電阻特征阻值狀態(tài)穩(wěn)定，沒有變化；下電極焊點拉力測試后焊點表面有銀殘留，滿足要求。根據(jù)測試結果可認為：EM板經(jīng)6年以上地面貯存后電性能穩(wěn)定，表明經(jīng)地面環(huán)境長期貯存后半剛性太陽電池翼電池模塊的狀態(tài)穩(wěn)定。

5.4 早期投產(chǎn)同類產(chǎn)品

因正樣產(chǎn)品無法測試網(wǎng)的張緊力及模態(tài)，故只能對早期投產(chǎn)的同類產(chǎn)品進行測試。太陽電池翼早期投產(chǎn)同類產(chǎn)品在地面存儲已近7年時間，其電池片為模裝件，結構部分產(chǎn)品包括玻璃纖維網(wǎng)和框架的設計狀態(tài)及生產(chǎn)工藝與正樣產(chǎn)品完全一致，其經(jīng)歷的力學試驗更嚴苛，因此通過檢查和測試早期產(chǎn)品的結果作為旁證可有效說明正樣產(chǎn)品的狀態(tài)。通過對早期產(chǎn)品的收攏狀態(tài)模態(tài)性能(重點是整體框架性能、電池片上局部特性)測試外推正樣產(chǎn)品膠粘和玻璃纖維網(wǎng)面板張緊狀態(tài)。另外可通過拆除電池板的電池模塊后進行網(wǎng)格面板位移測試,外推網(wǎng)格面板張緊力長期存儲后的預期狀態(tài)。

太陽電池翼早期投產(chǎn)同類產(chǎn)品在2008年6月進行了一次模態(tài)測試，2014年10月再次進行模態(tài)測試，兩次測試結果見表3。

在完成模態(tài)測試后，對基板進行網(wǎng)格面板位移測試，依次測量基板各區(qū)域玻璃纖維網(wǎng)中心點懸掛重物狀態(tài)下網(wǎng)的位移，以確定玻璃纖維網(wǎng)的張緊力變化。由懸掛砝碼測得的基板任意區(qū)域中心點的位移值最大13.4 mm，滿足不大于13.5 mm的要求，網(wǎng)格的測試位移與2008年的出廠數(shù)據(jù)比對，具較好的一致性。比較兩次測試數(shù)據(jù)可知：經(jīng)近7年時間的存儲后，結構翼的各階模態(tài)數(shù)據(jù)和振型較為一致，說明半剛性基板的產(chǎn)品膠接性能和結構剛度穩(wěn)定性能較好。結構翼的試驗結果表明：半剛性太陽電池翼結構部分尤其是玻璃纖維網(wǎng)的張緊力以及框架結構的膠接質量在長時間的地面存儲后仍保持了良好的穩(wěn)定性。

表3 早期投產(chǎn)同類產(chǎn)品模態(tài)測試結果

另外，2015年12月，作為天宮二號空間實驗室配套產(chǎn)品，早期同類產(chǎn)品參加了正樣整器力學振動試驗，框架及電池片各方向的響應與天宮一號目標飛行器振動試驗結果相當。試驗結束后，太陽電池翼外觀檢查無異常，佐證了正樣產(chǎn)品的結構強度能滿足要求。

5.5 正樣產(chǎn)品測試

太陽翼正樣產(chǎn)品的地面長期貯存期間，采取了放置在充99.99%高純氮氣的包裝箱內貯存的措施，箱內溫濕度通過包裝箱內的空調進行控制。貯存期間實測溫度19～23 ℃，濕度29%～36%，氣壓1.3～1.4 kPa。

貯存期間對太陽翼進行外觀檢查，除原裝機出現(xiàn)的電池電路裂片外，電池電路各部件和膠封點外觀狀態(tài)良好，緊固件無松動，未出現(xiàn)氧化或變色現(xiàn)象，基板各結構件無損傷，膠接無脫膠，壓緊套鍍層完好，符合要求，表明高純氮氣環(huán)境的保護措施有效。為提高產(chǎn)品的可靠性，對裝機出現(xiàn)裂片的電池模塊進行更換。更換的操作性強，為成熟工藝。

在貯存期間對每塊板電池電路的電性能測試數(shù)據(jù)差值范圍為-0.58%～+0.93%，均在±2%的測試誤差范圍內，一致性較好，滿足要求。電路的導通絕緣性能良好，各類特征阻值正常。測量所有結構件及金屬件間的導通阻值，要求不大于1 kΩ，實測均不大于0.5 kΩ。表明經(jīng)地面長期貯存后，電池電路及結構部分的導通、絕緣，以及特征阻值狀態(tài)穩(wěn)定。

在正樣產(chǎn)品總裝成整翼后進行了噪聲試驗，結果見表4。試驗前后進行了電性能檢查和外觀檢查，各項性能指標均正常，數(shù)據(jù)一致性較好，表明正樣產(chǎn)品材料性能無衰減，狀態(tài)穩(wěn)定。

表4 整翼聲場控制結果

6 結束語

本文對天宮二號空間實驗室半剛性太陽電池翼產(chǎn)品貯存壽命的主要影響因素進行了分析，采取了貯存延壽措施，策劃了可靠性增長試驗評估項目，完成了所有延壽評估工作的內容，包括對組件級和整機級產(chǎn)品的測試。同時通過采取地面貯存、定期檢測、更換裂片等系列延壽及可靠性增長措施，在經(jīng)歷了6年多的地面存儲后，太陽電池翼各項檢查和測試結果均合格，各項技術狀態(tài)穩(wěn)定，可滿足發(fā)射任務的要求，達到了提高可靠性的目的。本文的分析結果表明：天宮二號空間實驗室半剛性太陽電池翼在貯存期間采取的延壽措施及可靠性增長驗證方法有效，為后續(xù)其它航天器型號半剛性太陽翼產(chǎn)品經(jīng)歷長期貯存延壽提供了技術支撐。

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Study on Life Extension Technology of Semi-Rigid Solar Array for Tiangong-2 Space Lab

ZHENG Zong-yong1, WANG Zhi-yi1, ZHANG Chong-feng2, DONG Yi1, ZHANG Lei1, ZHANG Wu1

(1. Aerospace System Engineering Shanghai, Shanghai 201109, China; 2. Shanghai Academy of Spaceflight Technology, Shanghai 201109, China)

Due to the ground storage design life of semi-rigid solar array was 3～5 years, the life extension technology of the solar array was studied when the launch of Tiangong-2 Lab Space had been postponed. The effects of main factors on ground storage of solar array were analyzed, which were environment, cell circuit, structure of base plate, carbon fiber material, glass fiber impregnated by organosilicon resin, and adhesive and other materials. The life extension measures were taken which were solar array was stored in box filled with high pure nitrogen, the box was stored in the environment with the temperature and humidity controlled, time of assembly and test outside box was shortened, and cell modules were checked 100%. Reliability growth testing projects at assembly level and overall level were be planned and implemented. The results showed that the inspection and test results of the solar array were qualified after the past 6 years of ground storage, and it could meet the needs of launch mission. The measures taken were effective. The study will provide technical support of life extension work of long term storage for other spacecraft semi-rigid solar arrays.

Tiangong-2 Space Lab; Solar array; Semi-rigid; Ground storage; Life extension; Reliability growth; Life assessment

1006-1630(2016)05-0017-06

2016-09-05；

2016-09-18

上海市科委重點項目(045211033)

鄭宗勇(1985—)，男，碩士，主要研究方向為空間飛行器結構與機構設計。

V442

A

10.19328/j.cnki.1006-1630.2016.05.003