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文章推荐|《大型充气式太阳能薄膜反射面结构设计与性能分析》
2025-8-14 12:09
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Structural design and performance analysis of large inflatable solar membrane reflector 

《大型充气式太阳能薄膜反射面结构设计与性能分析》

《空间电力与无线传输(英文)》

2025年第2卷,第1期

引用格式:

“S. Bian, S. Ai, J. Wei, et al. Structural design and performance analysis of large inflatable solar membrane reflector. Space Solar Power and Wireless Transmission, 2025, 2(1): 54-64.””

原文官网链接

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2950104025000173

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文章导读

Article Guide

随着全球对可持续清洁能源需求的增加,空间太阳能电站(SSPS)凭借其不受大气衰减、日照时间长、供电稳定等优势,成为未来新能源的重要研究方向。然而,构建超大型(千米级)SSPS面临的挑战在于大型空间可展开结构的设计、在轨制造/组装、以及形态保持。其中,轻量化、高收纳比、高精度、高可靠性的聚光反射面是实现高效能量收集的关键。

首先,本文针对空间大型太阳能聚光反射面的需求,提出并研究了基于在轨组装的模块化大型充气式太阳能薄膜反射面的可展开结构方案。其核心在于充气膨胀驱动展开的抛物面构形与在轨不依赖气体的热固化维形技术,为构建超大型空间反射器阵列提供了技术路径。

其次,设计了一种可固化的大型充气展开柔性薄膜结构方案,通过薄膜力学对轴对称抛物型反射面进行了逆向设计,结合薄膜反射面的在轨热分析,研究了给定内压下不同在轨位置维持薄膜反射面理想形状所需的气压,并通过分析反射面薄膜的受力特性,给出了在不同位置薄膜产生的小变形。

然后,本文数值模拟了充气式太阳能反射面的可固化支撑结构的加热层的电阻直径和间距。并采用太阳辐射与电加热相结合的方式在轨固化支撑结构,通过电热模拟了维形支撑结构的最优在轨固化位置,比较了给定电压下不同轨道位置加热到玻璃化转变温度所需的时间。

最后,研究了支撑结构典型部件充气展开可固化的加热电压与折叠半径,在此基础上完成了可固化支撑结构的折叠与展开实验。在气压的作用下,最终折叠后的状态展开恢复至初始构型,加热展开固化的全过程中,可固化结构的平均功率约为70 W/kg。

本文不仅解决了大型充气式薄膜反射面结构设计、薄膜变形与在轨热固化中的关键技术问题,并通过理论分析、数值模拟和地面可刚化的充气展开实验验证,这为未来模块化的大型空间太阳能电站阵列的在轨构建提供了技术基础。文中采用的可展开结构设计、材料和工艺、电热层优化设计、混合固化策略、高可靠性的展开方法等,对推动空间太阳能电站的实际应用具有重要意义。

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摘要

Abstract

With the growing global energy demand and the pursuit of sustainable energy, solar energy has received widespread attention as a clean and renewable energy source. A structural design of an inflatable, large-scale solar concentrating reflector based on in-orbit assembly is proposed in this paper. The axisymmetric inflated reflector surface is inversely designed through membrane mechanics, and the internal pressures to maintain the reflector surface morphology at different orbital positions and the tiny deformation produced by the reflecting surface under the action of the uniform pressure are determined. A inflatable-rigidizable support structure is prepared by using a rigidizable aramid fabric-reinforced composite. The support structure used to the parabolic reflecting surface is designed, and the diameter and spacing distance of the resistance wire of the heating layer are determined by electrothermal simulation; the combination of solar radiation and electric heating is used to rigidize the reflector in orbit, and the corresponding electric heating time at different orbital positions is also analyzed by in orbit simulation. The heating voltage, folding radius and folding method of the rigidizable support structure are determined through the experimental design, and the folding and deployment experiments are carried out by using the heating and internal pressure and the final shape recovery rate of the support tube is approximately 100 %, which verifies the feasibility of its folding and deployment.

随着全球新能源需求的日益增长和对可持续低成本能源的追求,空间太阳能作为一种清洁和可再生能源受到了广泛关注。

本文提出了一种基于在轨组装的大型充气式展开太阳能反射器结构设计,通过对轴对称抛物面柔性薄膜进行充压变形逆向分析,确定了维持反射面在轨不同位置构形所需的内压与反射面产生的面外变形,并采用可固化的复合材料制备了充气成型后的固化支撑结构。之后设计了抛物反射面的可固化支撑结构,并通过电热模拟了固化层内加热电阻丝直径与间距对其功率影响,并进一步结合太阳辐照加热方式分析了不同在轨位置下电加热时间。

最后通过实验方法确定了可固化支撑结构的电压、折叠半径和折叠方式,并利用加热和内压进行了支撑管折叠与展开实验,通过充压形状恢复率接近100%,验证了柔性可固化结构的折叠展开的可行性。可为大型充气式展开太阳能反射器在轨模块化应用提供设计依据。

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  SSPWT 

《Space Solar Power & Wireless Transmission》期刊编辑部邮箱:sspwt@cqu.edu.cn

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