核心|天和上那对昂贵的“翅膀”_中国|发射|环境|航天器|柔性

太阳翼是航天器主要的发电设备，太阳翼展开到位是航天器发射成功的重要判断依据之一。
徐鸣
最近，中国空间站成功运行吸引了全世界的目光。其中，天和核心舱的“翅膀”引发国内外广泛关注，这是中国首次采用柔性太阳翼作为航天器的能量来源。什么是太阳翼？你知道这对“翅膀”耗资上亿元吗？
通常，太阳翼由多块太阳电池板（基板、太阳电池等）、展开机构以及让太阳翼旋转的环节等组成，发电原理是光伏效应。今天，地面光伏产品已经可以做到价格很实惠了，太阳翼咋还这么贵呢？
这是因为太阳翼暴露在太空环境中，需要一直正对着太阳，高低温差可达290℃ 。此外，太空还存在质子、电子辐射以及全谱段紫外线辐照，这些辐照环境会让材料变性、发黑、老化等，使太阳翼供电性能下降。地面光伏产品通常采用的是单晶硅、多晶硅电池等，其材料以及制备工艺都很难满足太阳翼如此苛刻的空间环境需求。
为了应对复杂的太空环境，当前大部分太阳翼都采用转换效率高、抗辐照性能好的三结砷化镓电池，其原材料主要为锗、银、金等贵金属，价格也就格外昂贵，一片8平方厘米的三结砷化镓电池大概需要1000元。天和核心舱的“双翼”有134平方米，可以大概估算这对“翅膀”耗费上亿元。
太阳翼是航天器主要的发电设备，太阳翼展开到位是航天器发射成功的重要判断依据之一。所以你会看到，电视直播里当说到某航天器的太阳翼展开正常时，发射大厅里的工作人员会热烈鼓掌。
实际上，太阳翼经历了漫长的进化过程。 1958年，美国成功发射的先锋1号卫星，太阳阵总功率大概才1瓦，到1998年，国际空间站的单翼功率约30千瓦。从几瓦到几万瓦，是什么概念呢？前者仅能勉强点亮一个LED灯泡，后者可以支持30个烤箱同时工作。当然，功率需求猛增的同时也对太阳翼提出了结构刚度更高、质量更小的要求。
通俗地说，根据承载电池片的“板子”（基板），可以把太阳翼分成刚性、半刚性和柔性太阳翼三类。刚性可以理解为“硬” ，不易发生变形。刚性太阳翼由于“板子”比较厚，整体“块头”就比较大，会影响航天器的正常发射，半刚性太阳翼也类似，因此就催生了体积可大幅缩小的柔性太阳翼。
柔性太阳翼一般采用不到1毫米厚的柔性薄膜结构作为“板子” ，收拢体积更小，质量更小，因此，天和核心舱的“双翼”展开有134平方米，收拢后仅为一本书的厚度。
得益于航天技术和材料的进步，太阳翼研制成本目前已得到有效控制。中国太阳翼的自研起步相对较晚，始于上世纪70年代，但发展十分迅速。此外，商业航天企业的入局将有助于进一步降低产品成本，推动太阳翼制造技术及性能提高。
在过去两年时间里，一些商业航天企业也在对太阳翼进行一系列低成本批产的探索，比如，采用高转换效率三结砷化镓太阳电池片及轻质碳纤维面板的组合，以实现太阳翼的低成本化。在平板卫星的研发中，为了实现一箭多星发射目标，最大化压缩整星收拢厚度，一些企业也试图采用先进的柔性太阳翼方案。
今天，中国已发射的柔性太阳翼的航天器仅有天和核心舱一例，而商业航天卫星使用柔性太阳翼，将是一次有意义的尝试，希望可以使昂贵的“翅膀”变得更好用且便宜。
来源：2021年7月28日出版的《环球》杂志第15期
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核心|天和上那对昂贵的“翅膀”

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