仝允 王平安 朱善璋

摘要：针对某平流层自由气球太阳能板的结构及安装特点，设计了一种太阳能板安装架，从结构形式、材料与工艺、有限元分析等方面进行了详细阐述。此外，设计样机完成了随气球系统装机升空飞行测试，结果表明该安装架满足刚强度、模块化、轻量化、运输性等设计要求。本设计方案可以为同类型的平流层气球太阳能板安装结构的设计提供参考。

关键词：平流层气球;太阳能板;安装架;结构设计

一、引言

自由气球是一种浮空器，其本身无动力，仅依靠内部比空气轻的气体使自身产生向上的浮力飞行[1]。由于其飞行高度高、滞空时间长、研制成本低等特点，受到了空间科技研究者们越来越多的青睐[2]。平流层自由气球的长时驻空需要充足的能源来满足系统的用电，太阳能电池是维持平流层气球长航时飞行任务的关键[3]。自由气球系统独特的结构与形式，对太阳能电池的安装提出了轻量化、模块化、运输性、刚强度等要求，基于此，本文设计了一种平流层气球太阳能板的安装架结构。

二、设计要求

平流层气球太阳能板安装架的设计应满足：

a. 刚强度要求。需满足1.5倍强度安全系数，最大变形不大于150mm;

b. 轻量化要求。安装架总重量不超过15kg;

c. 模块化要求。安装架可模块化拆卸和组装，满足运输要求。

三、结构设计

该平流层气球系统所需太阳能板共12块，单块板长×宽为820×820mm。吊舱为鋁型材搭接的框架结构，长×宽×高为600×600×600mm，内部安装任务载荷。

为适应吊舱结构，将太阳能板均匀分散地布置在吊舱周围，太阳能板与吊舱上表面齐平，如图1所示。吊舱处于正中间，安装架设计成4组“L模块”，通过组装形成完整的太阳能板安装架，实现模块化设计，方便拆卸与组装，提高维修性。

其中，每组“L模块”由3块太阳能板组成，整体长×宽为1845×1845mm，满足一般运输车的运输尺寸限制要求。考虑到刚强度及减重要求，框架采用规格为15×15×1.5mm的2A12角铝型材，斜撑采用规格为20×20×2.8mm的2A12角铝型材型材。在框架上设计安装孔，和太阳能板安装孔位置一一对应，太阳能板和框架通过强力绳绑扎固定，通过“刚柔耦合”连接，可以有效释放应力，避免其它如螺接、胶接等刚性连接造成的应力集中等弊端[4]。“L模块”内部的型材间均通过铆钉连接，整体牢固美观，同时减少了标准件的重量;对于4组“L模块”之间及和吊舱的连接均通过螺钉固定，方便拆卸和组装。

四、有限元分析

本设计方案中，太阳能板安装架重12kg，太阳能板重5kg，吊舱及内部设备共重132kg。此外，在气球升空飞行时受到最大7m/s的垂直风载作用。

太阳能板安装架和吊舱结构材料属性如表1。用Abaqus软件，采用梁单元建立太阳能板安装架和吊舱的有限元模型，将吊舱上平面框架固定约束，对模型进行加载，其中风载以面载荷的形式均匀施加在太阳能板上。

仿真计算结果如图2所示。在升空飞行过程中，最大应力为109MPa，位于太阳能板安装架和吊舱连接的根部，强度安全系数为3.57，满足强度设计要求;最大变形为129mm，位于太阳能板安装架的无斜撑支撑的最远端，满足最大变形设计要求。

五、结束语

介绍了一种平流层气球太阳能板安装架的结构设计，通过Abaqus有限元软件校核了安装架的刚强度，均满足设计要求，设计样机完成了该平流层气球系统装机飞行，圆满完成任务。同时，模块化、轻量化、刚柔耦合设计等思路均在设计过程中得到充分运用与实现，本设计方案可为同类型的平流层气球太阳能板安装结构的设计提供参考。

参考文献：

[1]俞朝阳，李源源. 浮空器学科发展研究[C]. 2014-2015航空科学技术学科发展报告.2016：27-50.