太阳翼(英文名:Solar Wing)也叫
太阳能帆板,是一种收集
太阳能、为航天器供电的装置。1999年,中国第一款应用于
载人航天领域的刚性太阳翼,随
神舟一号载人飞船的发射亮相太空。
太阳翼的原理是利用
硅和某些金属的
光电效应,将
太阳能转化为
电能,然后储存在
卫星、
宇宙飞船、
电动汽车的
太阳能电池里,以供相关设备、装置和试验仪器使用。人类使用过的太阳能电池材料,有硅材料和
砷化镓材料两种,大尺寸柔性、超柔性太阳翼成为未来的发展趋势。
第一种实用的
硅太阳能电池是贝尔实验室于1954年4月推出的。最初的效率只有6%。但
贝尔实验室的核心业务是通信,它把生产许可授予了Spectrolab公司,这家公司按照美军的要求,制造了第一批太阳电池阵。第一颗搭载太阳能电池的
卫星于1958年进入轨道。探索者6号侦察卫星,是第一个采用完整
太阳能电池阵列的,它于1959年提供了第一张来自太空的
地球照片。第一颗
地球静止轨道通信卫星“辛康”,采用了体装式太阳能电池。
1969年的
阿波罗11号任务,在月球上部署了第一块
太阳能电池板。到了20世纪70年代,硅电池效率提高到了约12%。随着20世纪70年代和80年代对更强大、更高效卫星的需求增加,以Spectrolab公司为代表的太阳能电池厂商开发了功能越来越强大的
太阳能电池。1999年,中国第一款应用于
载人航天领域的刚性太阳翼,随
神舟一号载人飞船的发射亮相太空。
进入21世纪前后,
砷化镓取代
硅,成为空间
太阳能电池的主要材料,它的效率大约能达到30%,迅速成为产业主流。2011年,八院805所太阳翼团队成功研制中国首套低轨高压半刚性太阳翼,并首次应用于“
天宫一号”。
柔性展开式
太阳能电池(ROSA)结构紧凑、价格实惠,能够用于低
地球轨道到
星际旅行的各种科学和商业任务,在
国际空间站上和双
小行星重定向任务中得到应用。2021年,ROSA的研制企业红线航天收购了可部署空间系统公司(DSS),继续开发ROSA的应用市场。
太阳翼有供电和充电两大功能,相当于一个小型发电站。在飞船入轨之前,一对小些的
太阳能帆板折叠固定在
太空舱的两侧,另一对大的则折叠固定在
推进舱外侧的舱壁上。在升空阶段,为了使它们免受迎面
空气动力学流的作用,太阳翼折叠收藏在
整流罩内,直到飞船入轨后才展开。
太阳翼按照
基板状态,分为刚性太阳翼、半刚性太阳翼和柔性太阳翼3种,由机械部分和太阳电池电路组成。
刚性和半刚性太阳翼的机械部分由基板、连接架、压紧释放机构、展开机构、闭索环联动机构等组成。刚性太阳翼的基板一般为
碳纤维蒙皮铝蜂窝结构,太阳
电池片粘贴到基板上。对于半刚性太阳翼,基板结构采用碳纤维管件搭成框架,然后在上面安装高强度纤维绳,用于安装太阳电池片。展开锁定机构一般采用较链机构,压紧释放机构一般采用火工
切割机机构。电路部分由太阳电池片、电池互联片、隔离
二极管等组成。
柔性太阳翼多采用展收
套筒扳手+柔性太阳毯方案。机械部分主要由太阳毯(
基板)、收藏箱板、套筒组件、展开机构、压紧释放机构、展开引导装置等部件组成。电池电路部分主要由太阳电池片、电池互联片、隔离二极管、
电缆等组成。太阳电池目前多采用薄膜三结化镑太阳
电池片。
太阳翼根据承载
电池片的基板不同,可以把太阳翼分成刚性、半刚性和柔性太阳翼。传统刚性太阳翼由于基板比较厚,且板子之间需留有较大间距,导致整体“块头”比较大,对航天器外形包络占用很多,半刚性太阳翼也类似。而柔性太阳翼一般采用不到1毫米厚的柔性薄膜结构作为
基板,收拢后不同基板完全接触并压紧,具有包络需求小、可设计性强、易扩展等特点,被普遍认为是新一代卫星能源的重要形式。
随着空间太阳翼电池成本的降低,有望使得大尺寸柔性、超柔性太阳翼成为卫星标配,这能够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
卫星互联网更大的想象和发展空间。
2021年4月29日发射的
空间站天和核心舱应用了中国首款大型柔性太阳电池翼,展开面积达67平方米,相当于一个标准单打羽毛球场大小。2022年,这一面积纪录被问天实验舱刷新,它配置了2个单翼展开面积超100平方米的“翅膀”,功率高达18千瓦,4个这样的太阳翼能提供空间站建成后三舱组合体80%的能量。
2023年12月21日21时35分,经过约7.5小时的出舱活动,
神舟十七号航天员
汤洪波、
唐胜杰、
江新林密切协同,在空间站机械臂和地面科研人员的配合支持下,完成了天和核心舱太阳翼修复试验等既定任务,航天员汤洪波、唐胜杰安全返回问天实验舱,出舱活动取得圆满成功。