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(jié)構(gòu)及安裝特點，設(shè)計了一種太陽能板安裝架，從結(jié)構(gòu)形式、材料與工藝、有限元分析等方面進行了詳細(xì)闡述。此外，設(shè)計樣機完成了隨氣球系統(tǒng)裝機升空飛行測試，結(jié)果表明該安裝架滿足剛強度、模塊化、輕量化、運輸性等設(shè)計要求。本設(shè)計方案可以為同類型的平流層氣球太陽能板安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：平流層氣球;太陽能板;安裝架;結(jié)構(gòu)設(shè)計

一、引言

自由氣球是一種浮空器，其本身無動力，僅依靠內(nèi)部比空氣輕的氣體使自身產(chǎn)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(tǒng)的用電，太陽能電池是維持平流層氣球長航時飛行任務(wù)的關(guān)鍵[3]。自由氣球系統(tǒng)獨特的結(jié)構(gòu)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(shè)計了一種平流層氣球太陽能板的安裝架結(jié)構(gòu)。

二、設(shè)計要求

平流層氣球太陽能板安裝架的設(shè)計應(yīng)滿足：

a. 剛強度要求。需滿足1.5倍強度安全系數(shù)，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(jié)構(gòu)設(shè)計

該平流層氣球系統(tǒng)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(jié)構(gòu)，長×寬×高為600×600×600mm，內(nèi)部安裝任務(wù)載荷。

為適應(yīng)吊艙結(jié)構(gòu)，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(shè)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(xiàn)模塊化設(shè)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(guī)格為15×15×1.5mm的2A12角鋁型材，斜撐采用規(guī)格為20×20×2.8mm的2A12角鋁型材型材。在框架上設(shè)計安裝孔，和太陽能板安裝孔位置一一對應(yīng)，太陽能板和框架通過強力繩綁扎固定，通過“剛?cè)狁詈稀边B接，可以有效釋放應(yīng)力，避免其它如螺接、膠接等剛性連接造成的應(yīng)力集中等弊端[4]?！癓模塊”內(nèi)部的型材間均通過鉚釘連接，整體牢固美觀，同時減少了標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計方案中，太陽能板安裝架重12kg，太陽能板重5kg，吊艙及內(nèi)部設(shè)備共重132kg。此外，在氣球升空飛行時受到最大7m/s的垂直風(fēng)載作用。

太陽能板安裝架和吊艙結(jié)構(gòu)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(fēng)載以面載荷的形式均勻施加在太陽能板上。

仿真計算結(jié)果如圖2所示。在升空飛行過程中，最大應(yīng)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(shù)為3.57，滿足強度設(shè)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(yuǎn)端，滿足最大變形設(shè)計要求。

五、結(jié)束語

介紹了一種平流層氣球太陽能板安裝架的結(jié)構(gòu)設(shè)計，通過Abaqus有限元軟件校核了安裝架的剛強度，均滿足設(shè)計要求，設(shè)計樣機完成了該平流層氣球系統(tǒng)裝機飛行，圓滿完成任務(wù)。同時，模塊化、輕量化、剛?cè)狁詈显O(shè)計等思路均在設(shè)計過程中得到充分運用與實現(xiàn)，本設(shè)計方案可為同類型的平流層氣球太陽能板安裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供參考。

參考文獻：

[1]俞朝陽，李源源. 浮空器學(xué)科發(fā)展研究[C]. 2014-2015航空科學(xué)技術(shù)學(xué)科發(fā)展報告.2016：27-50.