摘" 要：該文主要內(nèi)容研究的是在真空冷黑環(huán)境下，通過空間外熱流模擬的方式結(jié)合數(shù)字化攝影測量的手段對太陽電池陣基板的微弱變形量進(jìn)行測試試驗研究。試驗方案中采用非接觸式紅外燈陣模擬空間外熱流的方式，同時使用空間環(huán)境模擬設(shè)備建立試驗所需的真空冷黑環(huán)境，對太陽電池陣基板進(jìn)行熱流的施加，試驗過程中采用數(shù)字化攝影測量對不同外熱流作用下造成的太陽電池陣基板的微弱熱變形進(jìn)行測量。試驗結(jié)果表明，在紅外燈陣輻射熱流的作用下，太陽電池陣基板2 m×1.44 m范圍內(nèi)的熱變形測量精度優(yōu)于0.05 mm，該指標(biāo)可以滿足測量精度要求，光學(xué)攝影測量方法可作為測量太陽電池陣基板在熱真空試驗過程中微弱變形的測量方法，并且試驗驗證該方法有效，解決熱真空試驗過程中太陽電池陣基板熱變形測量的問題，為后續(xù)電池陣表面設(shè)計蓋片及蓋片之間銀連片設(shè)計提供試驗數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：熱真空試驗；太陽電池陣基板；數(shù)字化攝影測量；微弱熱變形測量；外熱流模擬；紅外燈陣設(shè)計

中圖分類號：V442" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2025）01-0062-04

Abstract： The main content of this paper is to test and study the weak deformation of solar cell array substrates through external heat flow simulation combined with digital photogrammetry in a vacuum cold black environment. In the test plan， a non-contact infrared lamp array was used to simulate external heat flow in space. At the same time， space environment simulation equipment was used to establish the vacuum cold black environment required for the test， and heat flow was applied to the solar cell array substrate. During the test， digital photogrammetry measures the weak thermal deformation of the solar cell array substrate caused by different external heat flows. The test results show that under the action of the radiant heat flow of the infrared lamp array， the measurement accuracy of thermal deformation of the solar cell array substrate within the range of 2 m×1.44 m is better than 0.05 mm， which can meet the measurement accuracy requirements. The optical photogrammetry method can be used as a measurement method to measure the weak deformation of the solar cell array substrate during the thermal vacuum test. The test has verified that the method is effective， solving the problem of measuring the thermal deformation of the solar cell array substrate during the thermal vacuum test. It provides experimental data support for subsequent battery array surface design of the cover sheet and the design of silver connecting strips between the cover sheets.

Keywords： thermal vacuum test; solar array substrate; digital photogrammetry; weak thermal deformation measurement; external heat flow simulation; infrared lamp array design

航天器結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，如太陽電池陣基板、SAR天線、光學(xué)系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)等復(fù)雜結(jié)構(gòu)產(chǎn)品在軌運(yùn)行時需要保證高度的穩(wěn)定性。但是，空間環(huán)境非常復(fù)雜，航天器一方面面臨著外太空低于4 K的冷黑環(huán)境的輻射，另一方面又面臨著太陽的光照、地球紅外輻射、地球反射等外熱流的綜合作用，隨著航天器繞著地球在做周期性的往復(fù)運(yùn)動，航天器上不同部位的儀器產(chǎn)品也周期性地接受熱流輻照的變化，這個過程導(dǎo)致航天器結(jié)構(gòu)自身會產(chǎn)生一定的溫度梯度，從而引起結(jié)構(gòu)的微弱變形，結(jié)構(gòu)的微弱變形對于航天器上一些較為精密的儀器指向、定標(biāo)結(jié)果將會產(chǎn)生不可逆轉(zhuǎn)的后果。為了提前獲取這些數(shù)據(jù)，必須在地面階段進(jìn)行充分有效的試驗，首先要進(jìn)行空間外熱流及冷黑背景的模擬，其次要找到合適的測量方法用于真空環(huán)境下微弱熱變形的測量[1-2]。

本文針對太陽電池陣基板在空間外熱流變化的情況下，材料內(nèi)部形成的較大的溫度梯度，從而導(dǎo)致粘貼在基板表面蓋片的碎裂或相鄰蓋片之間銀連片的斷裂問題，進(jìn)行微弱變形量測量方法的試驗研究。下面對本文采用的微弱變形測量方案、試驗系統(tǒng)建立、試驗過程結(jié)果數(shù)據(jù)分析等進(jìn)行詳細(xì)介紹。

1" 微弱熱變形測量方案

1.1" 測量方法

目前熱變形測量的方式主要有以下幾種。①應(yīng)變片法：該方法較多地應(yīng)用于地面常壓試驗中，根據(jù)應(yīng)變片的測量原理，基于材料的應(yīng)變-電阻效應(yīng)，材料因受外力作用產(chǎn)生變形，導(dǎo)致電阻的變化，測量精度較低，一般優(yōu)于0.2 mm，在一些精度要求不高的場合可以使用，測試系統(tǒng)簡單，測量成本低。②光學(xué)測量法：雙目測量系統(tǒng)是光學(xué)測量方法中應(yīng)用較為廣泛的一種，該方法測量精度較高，可以滿足0.05 mm以下精度的測試，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價高，尤其在真空罐內(nèi)使用時，要考慮相機(jī)在真空環(huán)境及高低溫交變環(huán)境中的使用，需要采取一些特殊的防護(hù)手段，才能保證相機(jī)的長時間正常穩(wěn)定工作。

綜上，根據(jù)太陽電池陣基板微變形量測量精度要求優(yōu)于0.05 mm，本文采用光學(xué)方法測量中的交會照相法對真空環(huán)境下的太陽電池陣基板在不同外熱流作用下的變形量進(jìn)行試驗測量研究[3]。

1.2" 測量原理

計算機(jī)立體視覺測量指的是由多幅二維平面圖像，恢復(fù)出被攝物體的空間三維坐標(biāo)，而其中基于兩幅圖像的雙目視覺技術(shù)則是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。若采用雙（多）臺相機(jī)在不同的攝站點(diǎn)拍攝被測目標(biāo)物，形成多攝站交會的多目立體模型。具體解析公式為[4-5]

式中：x0、y0、f為像片的內(nèi)方位元素，分別代表像主點(diǎn)與主距，是確定攝影相機(jī)鏡頭中心（攝影中心）相對于影像位置關(guān)系的參數(shù)，用以恢復(fù)攝影時攝影光束的形狀； Xs、Ys、Zs、ψ、ω、κ為像片的外方位元素，是表達(dá)像片或攝影光束在攝影瞬間的空間位置與姿態(tài)的參數(shù)；ai、bi、ci（i=1、2、3）為像片的3個外方位元素ψ、ω、κ所組成的9個方向余弦；Δx、Δy為各像點(diǎn)坐標(biāo)相對其理論位置坐標(biāo)（x、y）存在的小偏差（畸變）。

由最小二乘平差原理，根據(jù)上述公式列出誤差方程式，采用光束法平差算法進(jìn)行求解，即可以獲得被測對象的三維空間位置坐標(biāo)（Xi，Yi，Zi）。

1.3" 測量方案

根據(jù)需求分析，待測產(chǎn)品整體平面尺寸約為2 m×1.44 m，實際測量區(qū)域為產(chǎn)品整體平面的四分之一區(qū)域，即待測平面尺寸約1 m×0.72 m。為了方便相機(jī)防護(hù)罐的架設(shè)，本次真空熱變形測量選取產(chǎn)品右下角區(qū)域進(jìn)行測量。本方案采用雙相機(jī)工業(yè)攝影測量系統(tǒng)對產(chǎn)品進(jìn)行熱變形測量（2臺相機(jī)）。

試驗時待測產(chǎn)品豎直固定在真空罐內(nèi)，產(chǎn)品待測量表面正前方架設(shè)2套相機(jī)防護(hù)罐（測量相機(jī)安裝在相機(jī)防護(hù)罐內(nèi)），由于產(chǎn)品需要通過紅外燈陣輻射升溫，所以產(chǎn)品待測表面前方還設(shè)置有紅外燈陣，即紅外燈陣位于產(chǎn)品與相機(jī)之間，如圖1所示。

在產(chǎn)品待測表面（產(chǎn)品右下角四分之一區(qū)域內(nèi)）粘貼高低溫測量專用攝影靶標(biāo)，在防護(hù)罐與真空罐外的控制柜間連接溫控管路和電纜線，測量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊可以控制相機(jī)采集圖像數(shù)據(jù)，采集的圖像數(shù)據(jù)通過電纜線實時傳輸?shù)接嬎銠C(jī)內(nèi)存儲，然后通過圖像處理模塊得到各攝影靶標(biāo)的三維坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)分析模塊對點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行分析即可得到產(chǎn)品的平面度和變形量[6]。相機(jī)防護(hù)溫控系統(tǒng)主要用于給相機(jī)正常工作提供一個比較舒適的環(huán)境，確保相機(jī)成像的質(zhì)量。

2" 試驗系統(tǒng)建立

2.1" 空間外熱流模擬系統(tǒng)

空間外熱流模擬系統(tǒng)包括空間外熱流模擬裝置、真空冷黑環(huán)境裝置，其中本次試驗的真空冷黑環(huán)境裝置為真空罐KM2。

其中空間外熱流模擬方法按照模擬熱流的特點(diǎn)可以分為2類：一種稱為入射熱流模擬法，目前主流的模擬方式是在大型空間模擬器內(nèi)配有太陽模擬器，充分考慮太陽光的光譜特性、方向性等指標(biāo)，可較為真實地模擬入射熱流，但是試驗系統(tǒng)復(fù)雜，單次試驗成本較高。另外一種稱為吸收熱流模擬法，目前主流的模擬方式有紅外燈陣、紅外加熱籠、薄膜式加熱片和紅外加熱罩等，此方法只考慮物體表面的吸收熱流，使模擬的熱流等于物體表面實際吸收的熱流，只考慮物體表面的紅外輻射特性[7]。本文采用吸收熱流模擬方法對太陽電池陣基板進(jìn)行在軌外熱流的模擬。

試驗對象太陽電池陣的尺寸為2 000 mm×1 440 mm，采用了紅外燈陣方法進(jìn)行外熱流模擬設(shè)計，每塊板設(shè)60盞燈，根據(jù)試驗經(jīng)驗數(shù)據(jù)，紅外燈陣@95 ℃的到達(dá)效率約為16%，以每盞燈80%的輸出功率400 W計算，如圖2所示。

太陽電池陣表面紅外發(fā)射率ε以0.88計，則單塊太陽電池陣基板加熱到95 ℃需要的熱流密度為913 W/m2，對應(yīng)的吸收輻射熱量為2 629 W，紅外燈陣所需的輻射總熱量為2 629/0.16=16 850 W，對應(yīng)16 850/400≈41盞燈。由上述分析可知，紅外燈陣的設(shè)計密度可以滿足需求。整個熱流施加的準(zhǔn)確性通過黑片式熱流計與對應(yīng)區(qū)域紅外燈陣形成自閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行控制保證，本試驗方法只進(jìn)行光照和陰影區(qū)的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)熱流模擬。

2.2" 測量系統(tǒng)

數(shù)字化攝影測量系統(tǒng)主要由實時測量相機(jī)、定向尺、轉(zhuǎn)接電纜線、靶標(biāo)、測試軟件和相機(jī)防護(hù)設(shè)備等組成，系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)見表1。

在試驗過程中，為保證測量精度與測量的準(zhǔn)確性，主要的核心控制點(diǎn)在于相機(jī)的防護(hù)、靶標(biāo)粘貼及基準(zhǔn)尺布置，下面具體介紹相關(guān)測量過程的控制情況。

2.2.1" 相機(jī)防護(hù)

測量相機(jī)要求置于高低溫真空艙室內(nèi)工作，高低溫真空艙室內(nèi)溫度以及氣壓會對相機(jī)造成損壞。因此采用對測量相機(jī)設(shè)計防護(hù)罐形式進(jìn)行溫度防護(hù)以及壓力防護(hù)。相機(jī)防護(hù)罐主要是為實現(xiàn)相機(jī)在不能耐受的環(huán)境下實現(xiàn)拍攝所提供的一種保護(hù)罐，防護(hù)罐內(nèi)維持相機(jī)能耐受的環(huán)境以達(dá)到對相機(jī)的保護(hù)目的，確保相機(jī)成像質(zhì)量的穩(wěn)定性。設(shè)計采用真空絕熱層防護(hù)罐保護(hù)相機(jī)，將相機(jī)置于防護(hù)罐內(nèi)，真空絕熱層最大限度地減小漏熱，罐內(nèi)溫度控制采用罐內(nèi)壁貼導(dǎo)熱管換熱方式，通過外部溫度控制機(jī)組將控溫后的載冷劑通入導(dǎo)熱管內(nèi)實現(xiàn)罐內(nèi)溫度控制，考慮到真空罐內(nèi)介質(zhì)使用的安全性，本次試驗中載冷劑選擇工業(yè)酒精[8]。

2.2.2" 靶標(biāo)粘貼

試驗前需要先在產(chǎn)品表面粘貼高低溫專用攝影靶標(biāo)，包括單點(diǎn)和編碼點(diǎn)，攝影單點(diǎn)用于計算分析產(chǎn)品的平面度和變形量，由于測量系統(tǒng)采用的是不穩(wěn)定測量模式，每次測量需要通過編碼點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)定向，所以在產(chǎn)品表面還需要均勻粘貼25個左右的高低溫專用攝影編碼點(diǎn)。由于相機(jī)和產(chǎn)品之間設(shè)置有紅外燈陣，紅外燈陣會對相機(jī)視線造成遮擋，所以在粘貼靶標(biāo)前，先打開相機(jī)測量軟件，在軟件內(nèi)查看2臺相機(jī)都能測量到的產(chǎn)品區(qū)域，然后在可測區(qū)域內(nèi)粘貼測量靶標(biāo)，靶標(biāo)粘貼完成后，通過測試軟件再次掃描靶標(biāo)位置，確保所有靶標(biāo)位置可見。

2.2.3" 基準(zhǔn)尺布置

由于測量系統(tǒng)采用的是不穩(wěn)定測量模式，每次測量需要通過編碼點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)定向，同時需要通過測量攝影基準(zhǔn)尺恢復(fù)系統(tǒng)尺度，所以需要在產(chǎn)品邊緣布設(shè)一根強(qiáng)度高、膨脹系數(shù)低的攝影基準(zhǔn)尺，基準(zhǔn)尺的制作材料一般使用碳纖維、殷鋼（膨脹系數(shù)小）。通常在基準(zhǔn)尺的兩端粘貼反射標(biāo)識，用于基準(zhǔn)尺長度的精確定位及測量，基準(zhǔn)尺的長度決定了整個系統(tǒng)測量的精確性，因此購置的基準(zhǔn)尺的質(zhì)量非常重要，試驗前需要進(jìn)行標(biāo)定。

3" 測量結(jié)果與分析

當(dāng)數(shù)據(jù)采集完畢后測量軟件開始對采集照片處理分析，圖像處理模塊將采集的圖像經(jīng)過圖像處理、靶標(biāo)的識別、圖像配對、空間三角交會及光束法平差得到被測點(diǎn)的三維空間位置坐標(biāo)。在測量軟件內(nèi)通過標(biāo)準(zhǔn)形體擬合功能（圖3），使用測量的點(diǎn)坐標(biāo)擬合平面計算平面度[9-10]。

根據(jù)實測數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明，通過光學(xué)交會照相方法測量的太陽電池陣基板表面微弱變形量偏差最大是0.047 mm，最小是0.001 mm，優(yōu)于0.05 mm，滿足太陽電池陣基板在真空冷黑環(huán)境下的微弱變形測量指標(biāo)的需求。

4" 結(jié)論

綜上所述，采用紅外燈陣結(jié)合真空罐的模擬方式，可以有效地進(jìn)行航天器在軌吸收熱流和冷黑空間環(huán)境的模擬，同時結(jié)合數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)可以實現(xiàn)在真空熱試驗過程中對太陽電池陣基板熱變形量的高精度測量，本次試驗對象太陽電池陣基板2 m×1.44 m，測量結(jié)果表明整個基板由于溫度梯度變化引起的形變量在0.05 mm以內(nèi)，數(shù)字?jǐn)z影測量技術(shù)可完全滿足試驗關(guān)于形變量測量的精度要求。該試驗方法在后續(xù)太陽電池陣基板的非接觸熱變形測量中有較高的推廣應(yīng)用價值，為后續(xù)太陽電池陣基板蓋片及蓋片間銀連片的設(shè)計提供了試驗數(shù)據(jù)支撐。同時該方法也可以推廣應(yīng)用至航天器上其他產(chǎn)品的熱變形測量。

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