解密硬科技｜我们的“翅膀”向太阳

近日，国家航天局发布我国首次火星探测任务天问一号探测器从遥远火星传回的一组精美图像，向全国人民报告“天问一号”平安。图像中环绕器一侧太阳翼完全展开且姿态稳定。

环绕器局部特写

其实，除了天问一号回传的图像外，在国内外其他航天器的回传图像中，我们也能经常看到太阳翼的身影。

今天我们来聊一聊，什么是太阳翼，太阳翼的作用是什么？为什么需要太阳翼。

在太空中，为了维持卫星的正常运营，需要为卫星提供稳定的能源供给。

虽然卫星应用的能源系统已经开发了太阳能、化学能和核能的使用技术，但由于地球轨道上平均每平米可用的辐射通量可达1370 W，大量不间断的太阳能在空间环境中可用，最受欢迎的且最常用的卫星能源还是太阳能。

太阳电池可把空间轨道上的太阳能转换为电能，以供航天器使用。而以串、并联方式结合的太阳电池及相关结构等所组成的发电装置，叫做太阳电池阵。

太阳能电池的工作原理

想要获得更大的功率，就必须有更大面积的太阳电池阵。由于发射成本的限制，在发射前必须对太阳电池阵进行折叠或压缩。

因此，当前航天器太阳电池阵的主流形式是太阳翼，作为航天器上典型的大型展开组件，其展开后的尺寸往往要比航天器本体大得多，其形状如同是航天器的“翅膀”，因此称之为“太阳翼”。

卫星发射时太阳翼处于折叠状态，星箭分离后才会打开，并在卫星飞行过程中不断调整方向，使太阳电池对准太阳，为整星工作提供能量。

国际空间站的太阳翼

典型太阳翼的组成如下图所示：

太阳翼的结构组成

其中，铰链是太阳翼的展开、锁定机构，驱动太阳翼展开，并在太阳翼到位后，锁定太阳翼。而阻尼器则可以消耗太阳翼展开过程中的动能，降低冲击。连接架则负责将太阳板与航天器本体隔开一定距离，避免航天器或其他设备对太阳翼的遮挡。

太阳电池板由基板与太阳电池、电池电路组成，根据基板类型，可以将太阳翼划分为刚性太阳翼、半刚性太阳翼、柔性太阳翼。

刚性太阳翼由连接架和多块刚性太阳板组成，由于其结构简单、工艺成熟、成本低廉等优势，在国际上应用广泛。

半刚性太阳翼也是现在应用数量比较多的一类太阳翼，这类太阳翼的基板采用碳纤维框架，基板正面粘接有预张力的玻璃钢或芳纶纤维绷弦 (或织网)，绷弦 (或织网) 再与电池片连接。

哈勃望远镜柔性太阳翼结构图

相对于刚性、半刚性太阳翼，柔性太阳翼最大的区别在于：在收拢状态，前者的各基板之间是紧密压合在一起的，而后者的各基板本体之间是相互隔离的。柔性太阳翼的收拢体积更小，质量更轻，也更为复杂。

当前，国内的火箭发射成本1kg大约需要5~10万元人民币，相同面积柔性太阳翼重量较刚性太阳翼下降20%以上，随着技术的进一步发展，相同面积柔性太阳翼重量甚至可较刚性太阳翼下降40%以上，可大幅降低卫星发射成本。

由于太阳翼是卫星能源系统的重要组成部分，太阳翼的成功展开与否是关系到卫星发射成败的关键。

不同的太阳翼有着不同的展开方式。

其中天和的太阳翼展开就有五个步骤，火工品起爆，抬升机构立起，展开锁定机构，约束释放机构解除收藏箱的约束，最后伸展机构带动太阳翼完全展开。

14s开始看国际空间站新太阳能帆板展开过程

国际空间站的太阳能帆板则采用了像“卷轴”一样的展开方式。

实际上，就和卫星太阳翼的数量一样，太阳翼的数量、形状、展开方式，都是根据卫星本身的特定功能而定的。

举例而言，虽然在卫星结构当中，双数的太阳翼会更加稳定，但由于Spacex一箭60星，如何快速准确的在轨道上部署是它的设计诉求，所以出于这个考虑就设计成了单太阳翼。大多数气象卫星，由于其装有红外探测仪，对温度非常敏感，所以在探测仪安装的一面不能安装太阳翼，因此也采用单太阳翼的设计。在太阳翼的展开方式与形状方面也同样如此。

未来，随着太阳翼成本的降低以及柔性太阳翼技术的更多突破，有望使得大尺寸柔性、超柔性太阳翼成为卫星标配，将为卫星提供更多的能源供给，从而使各种新型载荷、设备能够应用到卫星上，给未来的太空经济带来更大的想象和发展空间。

参考资料：

1、北青网：中国商业航天首款柔性太阳翼发布

2、它曾落在外星，发回一张地表照片

3、天和核心舱太阳翼展开 中国空间站首舱“天和核心舱”今天发射

4、航天器结构与机构 柴洪友

5、深空探测技术 孙泽洲

6、卫星技术 原理篇 [印]阿尼尔·K·迈尼

7、科技日报 关键1分钟，保驾卫星“太阳翼展开”

8、大面积太阳翼国外发展研究 赵志萍， 赵阳东

9、宇航员完成国际空间站首个新太阳能帆板安装 国际航天爱好者

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