皮卫星电源系统的设计与仿真

为了满足皮卫星微小型化的要求,提出了一种新型卫星电源系统的设计方案.太阳电池阵 蓄电池组系统采用目前国内效率最高的三结砷化镓太阳电池阵和比容量最高的锂离子蓄电池,电源分配和变换广泛使用超低功耗工业级集成化器件,并且采用合理的筛选和测试手段保证系统可靠性.通过对太阳电池阵、蓄电池充放电和卫星负载进行建模,结合电源系统在轨运行的条件,仿真了卫星实时的能量状态,计算了在故障条件下电源系统的响应,以蓄电池容量变化作为能量平衡的判断依据.各种环境测试结果表明电源系统有效可靠,能量平衡仿真结果表明浙大皮卫星的能量策略不仅满足在轨运行条件,而且具有较强的抗故障能力.     

皮卫星在轨能量平衡仿真研究

针对浙江大学皮卫星由于输入能量条件差以及采用非调节母线和体装式结构,使其能量平衡计算相对于传统卫星更加复杂的特点和电源电路的特殊设计,对电源系统进行了建模. 通过实时计算太阳电池、蓄电池和负载的在轨工作参数以及分析实时的电流平衡、电压平衡和能量平衡,最终得到真实的能量平衡仿真模型. 对理想运行条件、实际环境条件和考虑卫星姿态失效的最差条件分别进行了仿真. 结果表明,在理想条件下可以完全保证整星能量平衡;在实际环境下最大平衡功率能忍受实际负载约10%的拉偏;在最差姿态条件下已几乎没有裕量,但能完全保证卫星安全模式下的负载功率能量平衡.     

某挠性卫星姿态控制系统设计

文中研究对象是带有太阳电池阵和天线等大挠性附件且太阳电池阵驱动的对地观测卫星.抑制太阳电池阵和天线挠性振动及太阳电池阵驱动对星体姿态影响是系统设计的目的.为此,选用带宽隔离法、坎值滤波器法对附件振动进行抑制;同时,针对卫星特殊飞行姿态所导致的通道间惯性耦合,设计了解耦算法给予解决;设计了具有低通滤波特性的外环修正回路,消除惯性基准单元的漂移误差及安装误差.将设计结果应用于对象模型并加入所有误差源后,进行仿真验证,系统设计结果满足给定的指标要求并有较大裕度.     

等离子体干扰低轨道侦察卫星的计算分析

研究等离子体干扰破坏低轨道侦察卫星功能的效应，提出了用等离子体反卫星的概念。对等离子体环境中卫星充放电机理及效应进行了分析，给出其干扰破坏低轨道卫星的途径为：等离子体使卫星表面形成电孤放电电位差，并产生强烈的电孤电流和电磁脉冲，从而破坏太阳能电池阵、表面温控材料、星上微波电子仪器，并影响天线正常工作。把卫星表面分成14个不同的等效单元，利用等效充电模式，计算了高密度低能和中等能量等离子体对某卫星表面的充电过程，分析电子温度和数密度、卫星表面初电位、太阳能电池阵电位对卫星表面最后达到平衡电位的影响。获得的结论是：300eV以上的能量将使卫星表面形成放电电位差。     

美国两用技术

34超轻空间太阳电池阵支持结构两用科技(DUST)计划美国加州的AEC-Able工程公司、科罗拉多州的ITN能源系统公司、佐治亚州的洛克马丁航空系统公司、ILCDover公司、L'Garde公司和复合材料技术开发公司作为非联邦机构参与了该项目的研究。为了使未来大功率卫星达到>50kW的动力,必须研究出明显降低动力系统重量和成本的技术。在目前空军的大功率概念(“动力航行计划”)中,电池阵帆板采用低成本柔性薄膜光电材料(FTFPV),并通过连接线路将动力传送到卫星。该概念使电池阵比现有的太阳电池阵轻5～10倍,并且成本便宜5～10倍,这样才能使电…     

航天器刚性基板太阳电池阵在轨热分析

针对周期性热交变环境引起的航天器上刚性太阳电池阵温度变化对其性能和可靠性有着较大影响的问题.以4块电池板组成的太阳电池阵作为研究对象,将其内部传热过程看成无内热源三维各向异性的非稳态导热问题,全面考虑光电转换效率、布片效率和外热流等各种影响因素,进行刚性太阳电池阵在轨热分析.首先进行网格划分,计算节点为5 060个,然后运用有限差分法,考虑节点的不同位置特点,建立全隐式离散方程,最后采用AD I算法求解离散方程,得到太阳电池阵周期温度变化及各方向上温度分布规律,并与太阳电池阵的遥测数据进行比对,验证了热分析的正确性.该研究为太阳电池阵可靠设计提供参考.     

太阳电池阵弧形基板结构振动分析及优化设计

针对弧面型太阳电池阵新型基板结构,在满足结构安全的前提下以多参数轻量化设计为目标。本文基于等效板理论获得弧形太阳电池阵基板的各向异性等效性能参数,建立新构型太阳电池阵基板的三维有限元数值模型,并通过正弦扫频振动试验验证了模型的可靠性,进而初步实现了结构薄弱区域定位。最后结合工程实际,基于参数化建模结合多目标迭代优化的方法,分析结构在典型随机振动载荷作用下的最大应力随各特征参数的变化规律,从而获得满足结构安全条件下的补强优化方案,相比于原始结构,可使面板最大应力下降21%,若加强结构为单向无纬布,结构最大应力可进一步下降15.6%,为新构型太阳电池阵基板的轻量化设计提供支撑。     

微小卫星激光通信粗跟机构设计与分析

针对微小卫星星间激光通信任务中快速、精确、稳定地捕获跟踪要求、卫星发射阶段严酷的力学环境以及严苛的重量尺寸限制,设计了一种适合微小卫星搭载的共口径收发二维粗跟机构。首先,由轴系支撑理论总结了精密轴系的设计原则,完成了结构设计,然后通过赫兹接触理论计算出过盈配合和预载荷作用下的轴承刚度,最后利用有限元分析方法分析了粗跟机构的力学特性。分析结果表明粗跟机构谐振频率满足卫星发射要求。结构设计具有结构紧凑、质量轻的特点,满足外包络尺寸、重量限制,轴系刚度设计合理。     

真空下激光烧蚀聚合物产生推力过程的数值研究

激光烧蚀聚合物靶材可产生微小推力,这一技术在微小卫星姿轨控应用中具有重要前景。基于实验总结的烧蚀率公式,提出了采用阈值能量模型来描述真空中激光烧蚀聚合物产生推力的过程,模型中以沉积能量为烧蚀判据,根据能量和动量守恒原理计算靶材获得的反喷冲量和其他推进参数。数值结果给出了靶材各项推进参数的变化规律,含能聚合物的推进性能明显高于非含能靶材,能量转化效率超过100％。     

太阳同步轨道卫星电源系统供电模型及任务规划方法

传统的任务规划方法依据卫星寿命末期最恶劣条件下电源系统供电能力给出短期载荷允许的最大工作时间,导致卫星系统效能偏低。针对这个问题,首先给出了太阳同步轨道卫星的能源约束条件模型、锂离子蓄电池组充放电过程模型,以及影响太阳电池阵输出功率的输入条件模型,包括:太阳入射角、地球反照、姿态机动、星体对太阳电池的遮挡。在此基础上,提出了一种以任务执行时的电源系统状态和轨道光照条件状态下电源系统供电能力为输入条件,以能源约束条件为边界约束条件的任务规划方法,并给出了某光学遥感卫星典型工作模式下的任务规划结果。该任务规划方法可充分利用电源系统的供电能力,实现了短期载荷工作模式的任意组合,提高了卫星的使用效能。     

压缩感知框架下的太阳图像重建方法

研制对日成像天线阵的主要困难体现在有限的预算和天线数目之间的矛盾,如何减少天线数目即降低采样率是重要目标之一.鉴于压缩感知理论能够以远低于奈奎斯特采样定律要求的数据恢复出原始信号和太阳图像的稀疏性,提出了基于压缩感知框架的太阳图像重建方法.通过仿真太阳图像和实际天文图像的成像实验例证了方案的有效性,表明在天线阵天线元数目和阵型确定的情况下,该方案在对相邻点源的分辨能力、对展源的保形能力以及动态范围方面有较优的性能.     

基于改进扰动法的光伏电池MPPT仿真研究

根据光伏电池的特性,搭建了其仿真模型,能够模拟不同日照和温度条件下电池的输出特性.针对占空比扰动法的不足,提出了一种基于模糊- PI控制的占空比扰动法进行最大功率点跟踪,并在Matlab环境下进行了仿真验证.仿真结果表明,与占空比扰动法相比,该方法在外界环境变化时能够快速跟踪光伏电池的最大功率点,有效提高最大功率点的跟踪精度,具有良好的动态和稳态性能.     

卫星太阳翼板面水平展开试验方法

为减少卫星姿态翻转,确保卫星光学载荷指向精度,提出卫星太阳翼板面水平展开试验方法.采用多自由度配重悬挂法抵消太阳翼水平展开试验过程中的重力,开展运动学及动力学分析、试验误差分析,完成卫星太阳翼板面水平展开试验验证.试验结果表明:相比传统展开试验方法,能够更真实的模拟太阳翼在轨展开运动;对太阳翼配重质量偏差、太阳翼吊挂质心偏差及系统摩擦力控制要求高.验证模型和试验方法的正确性,满足卫星太阳翼展开试验要求.     

多晶硅制备方法及太阳能电池发展现状

为了降低太阳能级多晶硅生产成本,从而降低太阳能电池制造成本,促进太阳能光伏产业的发展．介绍了目前世界上多晶硅的制备方法及其优缺点,论述了多晶硅及太阳能电池的制备工艺方法和发展现状．国内生产表明,采用改良的西门子工艺技术生产的多晶硅纯度不高．根据中国太阳能电池产业发展中的问题,提出了多晶硅生产技术的发展趋势,即怎样改良技术进一步提高多晶硅纯度．     

组件质量波动对太阳能电池阵列输出特性的影响

实验发现光伏电池组件上各单体电池的温度在空间分布是不均匀的,数值上呈正态分布;同时光伏组件的I-U曲线出现异常。本研究认为将组件的温度正态分布作为组件电学参数波动量度是合理的,以此为基础,通过随机方式产生单体电池参数,模拟了光伏电池组件I-U曲线异常现象。使用同样的模拟方法,发现由于光伏组件质量波动一个5kW光伏阵列的最大功率可能200W左右的损失,这说明构建光伏阵列时各组件质量一致性需要重视。     

Experimental study on high-voltage solar array sustained arc discharge induced by high charging

It has been reported that sustained arc discharge induced by electrostatic discharge (ESD) could cause permanent damage to high-power and high-voltage solar array of spacecrafts. The paper focuses on ESD simulating experiments on Si and GaAs samples, and induces sustained arc discharge. The physical mechanism of sustained arc discharge is discussed by comparing the charging/discharging phenomena between Si and GaAs samples. The experiments show that sustained arc discharge can produce a permanent short-circuit channel between solar cell strings through which the solar array’s photovoltaic power may flow out sustainedly. The analyses show that sustained arc discharge strongly depends on solar array structure, solar array operating voltage, ESD characteristics and cell materials.     

基于机器学习的有机太阳能电池能级预测及分子设计

作为分布式可再生能源关键组成部分的有机太阳能电池,其效率的主要限制因素是分子的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）之间的能级差异。为了能降低有机太阳能电池的制造成本,提高有机太阳能电池的能量转换效率,提出利用机器学习分析有机太阳能电池的能级,指导分子设计。首先,利用机器学习的高效性和成本效益,筛选出20个关键特征,以深入分析其如何影响光伏器件的性能。随后,构建了6种不同的预测模型,对比发现其中基于梯度提升的XGBT模型在预测有机太阳能电池性能方面表现最佳,其决定系数为0.8,并且其均方根误差仅为0.2。最后,利用该模型有效地预测了有机太阳能电池的性能,并且通过对HOMO与LUMO的深入分析,成功识别出两种影响有机太阳能电池能级的关键分子结构。     

声全息测量基阵的设计与研制

对用于近场声全息（NAH）技术，测量大型声呐发射阵近场全息声压分布的线型水听器基阵，进行设计，研制，全息测量阵设计和研制的关键问题是它应能得到声场中复数声压（振幅和相位差）的真实数据，给出场中正确的声压全息面。本文估算了所设计结构的支撑架和水听器基座声散射对阵上水听器测量全息声压的影响；分析对基阵结构的加工工艺要求和提出如何实现这些要求的措施，实验结果表明设计的这套四分之一水型水声扫描线阵的阵元测量数据可靠，适用于大型声呐基阵NAH技术，并为大型全息测量线阵设计提供基础。     

三相光伏并网发电系统的建模与仿真

本文系统地介绍了三相光伏并网发电系统的建模与仿真。根据光伏阵列的等效电路,在Matlab/simulink中采用S函数的方式,建立了光伏阵列的数学模型。基于光伏阵列的V-I曲线,利用牛顿迭代求解方法,确定了光伏阵列并网运行的最大功率点。根据三相光伏并网发电系统的结构图,结合双闭环并网的控制策略,实现了光伏阵列的最大功率点跟踪控制、光伏并网电流的正弦化和单位功率因数。最后,将光伏并网接入到电力系统的配电网络中,结合算例,研究了日照强度、环境温度、控制策略等变化时,光伏阵列的仿真结果。通过仿真分析,证明了本文所建立的三相光伏并网的模型和控制策略的正确性。