航天器太阳电池阵卓越标准体系建设思考与实践_马静雅.pdf

航天标准化2022 年第 4 期马静雅李沐天马腾姜东升濮海玲杜红郭梅（北京空间飞行器总体设计部，北京，100094）航天器太阳电池阵卓越标准体系建设思考与实践*文摘：航天器太阳电池阵标准体系主要包括航天器太阳电池阵产品技术要求、设计规范、生产过程标准、测试试验方法等。按照“用为导向，提升效能，追求卓越”的原则，对太阳电池阵研制全流程标准体系建立情况进行梳理，针对现有标准间的协调性和标准覆盖性、有效性进行分析，面对未来专业发展需求，建立适合我国航天器太阳电池阵的标准体系。结合五院标准体系建设，提出改进思路。初步实践表明，体系建设在提高产品研制能力、保证质量、降低成本中发挥了重要作用。关键词：航天器供电系统；太阳电池阵；标准体系。*本文源于中国航天科技集团航天器太阳电池阵执行标准清单构建及关键标准研究项目（项目编号：2022BZHZX05）。标准是航天产品质量水平的重要依据、产业核心竞争力的重要体现、企业治理体系和治理能力现代化的重要手段1。航天标准化作为重要的技术基础，为航天事业发展提供了有力的支撑和保障。为落实中国航天科技集团有限公司（以下简称集团公司）航天卓越标准体系建设的部署，构建与新时期产品化工作相适应的标准体系。航天科技集团五院总体设计部标准专业组以面向“三高”（高质量、高效率、高效益）为目标，结合新时期产品化工作要求，开展航天器太阳电池阵标准体系的建设与实践工作。航天器上太阳能供电系统统称为太阳电池阵。单个伸展出航天器的太阳电池阵称为太阳翼，每个太阳翼由多个太阳电池板（简称太阳板）及连接架组成，太阳板由结构板（基板）以及电池电路组成。太阳电池阵作为航天器上重要供电设备，是航天器核心产品之一，其展开成功常被作为航天器发射成功的标志性事件。作为航天器上复杂的星外展开机电热产品，太阳翼的研制具有接口多、技术难度大、研制周期长的特点。因此太阳电池阵标准化是统一规范产品设计、建造、验证使用全过程、确保航天器太阳电池阵产品质量的重要技术基础。1国内外太阳电池阵产品标准化建设情况1.1国外太阳电池阵产品相关标准美 国 航 空 航 天 学 会（AIAA）、欧 洲 航 天 局（ECSS）等国外航天研制部门，均发布过相关行业标准，包括空间太阳电池标准和空间机构标准，主要标准见表1。可以看出AIAA、ECSS等标准以产品的采购标准要求为主，未覆盖产品研制的全流程，这与国外航天器研制与采购模式有关，太阳电池阵产品往往采用市场化的招标方式进行采购。1.2国内太阳电池阵产品相关标准国内航天器太阳电池阵典型产品的研制流程包括设计、装配和操作、测试与试验、生产与验专业实践22-DOI:10.19314/ki.1009-234x.2022.04.005航天标准化2022 年第 4 期表1国外太阳电池阵相关标准序号标准号名称备注1AIAA S-111A-2014空间太阳电池片研制与质量要求零件规范2AIAA S-112A-2013太阳电池板电气元件研制与质量要求产品规范3ECSS-E-20-08B光伏元件和组装零件规范4JERG-2-215A太阳电池阵设计规范产品设计规范5ECSS-E-10-03A空间工程：测试通用标准6ECSS-E-30 3A空间工程：机械第3部分机构通用标准7ISO 15864航天系统空间飞行器、子系统、组件通用测试要求通用标准8MIL-STD-1540E空间飞行器、上面级、火箭试验要求通用标准收流程。太阳电池阵体系内现行有效标准共47项，其中国军标10项、航天行业标准10项、集团标准14项、企业标准18项，见表2。根据卓越标准体系建立的指导思想，将标准和研制流程相结合，按不同阶段划分为：技术要求类、设计规范类、测试与试验类、检验与验收类标准。可以看出，除指导采购的标准较缺乏外，其余标准基本覆盖研制流程。这也与国内航天器太阳电池阵的采购方式有关。2太阳电池阵卓越标准体系的建设2.1研究过程五院总体设计部作为标准专业组组长单位，发挥本单位在航天器太阳电池阵产品方面的研制经验，以“对接需求，用为导向，横向一致”为指导思想，开展对产品的卓越标准体系建设。以航天器太阳电池阵涉及的技术、产业为牵引，对接技术创新、科研生产、产业发展等各类标准化需求，形成覆盖研制全过程、产品全级次的标准体系。以用为导向，聚焦产品研制关键。将面向应用、突出实效作为标准体系设计的基本准则。在体系表中规划形成布局合理、协调配套、适用管用的标准集，着力解决标准更新不及时和横向不一致等问题，形成导向明确、重点突出的实用标准体系2。为构建并完善航天器太阳电池阵标准体系，在梳理现有太阳电池阵标准体系的基础上，开展对标准体系的研究和升级工作，研究过程如图1所示。2.2对接需求，建立覆盖全流程的标准体系对现有航天器太阳电池阵标准进行梳理，将标准分为3类：单机级产品标准：规范航天器太阳电池阵、太阳翼单机产品的设计、生产、装配、测试、试验、验收和产品保证的单机产品标准。部组件级标准：规范航天器太阳电池阵部组件的设计、生产、制造、测试、试验和验收的部组件标准。基础产品标准：规范单体电池片的生产、制造、测试、试验和验收的基础产品标准。航天科技集团五院的航天器太阳电池阵标准体系较为全面，与集团公司CASC标准体系高度契合，单机级标准和部组件级标准、基础产品标准已归入CASC标准体系的产品标准分支中。根据“对接需求，用为导向，横向一致”的工作思想，推进标准横向一致和有效供给为主线，科学继承航天产品研制实践成果，建立太阳电池阵标准体系。将航天器太阳电池阵按研制流程阶段进行标准划分，从采购技术要求、设计与规范、生产制造要求、测试与试验、验收与检验及方面，对标准体系进行重新梳理。表2国内太阳电池阵标准体系统计表标准种类标准级别国军标（GJB）航天行业标准（QJ）集团标准（Q/JA）企业标准（Q/W）设计与规范类顶层标准2211次级标准6125装配与操作类顶层标准0001次级标准0123测试与试验类顶层标准0101次级标准0396检验与验收类顶层标准1100次级标准1101航天器太阳电池阵卓越标准体系建设思考与实践 马静雅/李沐天/马腾 等23-航天标准化2022 年第 4 期详细分析现有标准体系，可以看出，国军标、行业标准和企业标准已经基本覆盖太阳电池阵设计的各方面内容，包括系统设计、电池电路、结构与机构、太阳翼接口。从采购需求看，缺少航天器太阳电池阵产品上级技术要求类标准，为协助用户对航天器太阳翼的货架采购提供依据，建议补充产品技术要求类标准：“航天器刚性太阳电池阵技术要求”“航天器半刚性太阳电池阵技术要求”“航天器柔性性太阳电池阵技术要求”。从生产制造过程看，缺少“航天器太阳翼装配技术要求”，建议新增用于指导太阳翼的装配与生产的标准。2.3用为导向，建立横向一致的标准体系航天器太阳电池阵作为航天器上重要的单机产品，已经有相对完整的标准体系。但是由于不同层级间标准建立的时间、侧重有所不同。因此，标准间的协调性和标准内容的覆盖性上，国军标、行业标准和企业标准间既有重叠的部分，又存在空白地带。以表3为例，各类标准中给出的太阳电池阵中隔离二极管的设计要求均不同，国家军用标准空间太阳电池阵通用规范 给出每个充电阵和分流阵必须使用隔离二极管防止逆向电流。航天行业标准 航天器太阳电池板通用规范 规范了电路模块输出端串联二极管用于防止反向电压。航天行业标准 航天器太阳电池阵设计要求 对每串需设置关进行了明确。实际在设计时，3个标准描述的是针对不同情况下的二极管设置措施，二极管的设置位置、功能并不相同。而3个标准从不同使用角度出发，对产品设计的安全性进行了规定，然而，又未能将太阳电池阵中不同位置设置隔离二极管的目的、要求全面表述。因此，需要系统的梳理现有标准的覆盖全面性，内容协调性，对整体体系标准进行优化升级。航天器太阳电池阵标准体系结构应遵循突出航天产业特色，突出系统性、全面性和可扩展性，体系框架体现纵向的层次关系，横向的共性和个性，协调配套，又避免交叉。因此，需要完善内容，追踪技术前沿，结合生产能力，完善执行标准内容，做到协调统一。航天器太阳电池阵卓越标准体系建设思考与实践 马静雅/李沐天/马腾 等图1航天器太阳电池阵卓越标准体系研究过程项目相关标准要求情况对隔离二极管安装的要求国家军用标准 空间太阳电池阵通用规范附录A2.2.6：每个太阳阵、充电阵、分流阵电流的输出端必须用隔离二极管彼此逆向隔离；附录B4.3.2：隔离二极管应选用正向压降小、失效模式为开路失效的二极管，其降额因子应不低于50%，尽量选用玻璃陶瓷或金属外壳封装的结构形式。航天行业标准 航天器太阳电池板通用规范3.4.6每个太阳电池阵电路模块输出端通常应串联二极管与母线隔离。隔离二极管的反向电阻不应小于10M，最低反向耐压不小于母线电压的2倍，正向压降不大于1V。二极管的降额使用应符合GJB/Z 35要求航天行业标准 航天器太阳电池阵设计要求每串太阳电池的输出端应安装隔离二极管。隔离二极管的反向电阻应不小于10M，最低反向耐压不小于母线电压的2倍，正向压降一般不大于0.8V。表3各类标准中对隔离二极管安装要求的不同描述24-航天标准化2022 年第 4 期2.4建立完善适用管用的标准群按照“用为导向”的思想，航天器太阳电池阵标准体系应能指导标准专业组内各单位的太阳电池阵研制。为提升标准的指导性和权威性，需对近年研制过程中的经验教训进行总结，提炼成为可为后续研制和生产指导的标准规范。航天器太阳电池阵标准体系的建立是一个漫长的动态过程，随着技术的进步和发展，需要不断地对标准体系进行补充和完善，以满足新技术、新产品需求。原则上航天行业标准应从稳定运行了多年的企业标准中筛选，并推广到行业执行，确保标准的有效性和先进性。3实践效果3.1太阳电池阵标准体系实践五院总体设计部结合太阳电池阵的产品研制流程，开展了航天器太阳电池阵标准体系的梳理和构建实践，建立的标准体系框架如图2所示。通过对标准的覆盖性分析、内容协调性分析，得到需要补充、修订或完善的标准目录清单。并结合近20年的相关研制经验，形成需补充完善内容需求，并根据需求，完成了相关标准的修订，见表4。航天器太阳电池阵卓越标准体系建设思考与实践 马静雅/李沐天/马腾 等图2太阳电池阵标准体系框架序号问题现象导致故障的最大可能性1太阳电池阵输出电流异常下降二极管负极引出导线、板内电连接器引出导线开路空间碎片或微流星体撞击接插件芯片开路太阳电池底片胶中小分子气体释放产生应力造成太阳电池片出现裂纹，高低温交变作用下裂纹扩展导致太阳电池开路未采取太阳电池电路串间隔离措施，低电压电池串被倒灌电流热击穿2温度遥测异常压接端子在温度交变情况下发生开路故障10力学试验异常HONGYAN-1S太阳翼鉴定件X方向正弦振动试验主频漂移问题3展开指示遥测异常1）太阳翼根铰微动开关安装位置调整临界；2）微动开关上8k展开电阻被旁路4在轨展开异常由于在轨低温环境导致卫星安装舱板发生热变形，使得压紧座与连接架锥套之间横向挤压接触并产生较大摩擦力，所生成的额外阻力矩超过太阳翼驱动力矩导致5机构受发射环境影响（温差及潮湿环境），展开总阻力矩增加导致太阳翼展开静力矩裕度减小，导致太阳翼展开不到位，造成太阳翼迟滞锁定问题6由于地面设备引入过大阻力导致地面展开不到位问题7操作问题导致产品受损地面展开试验异常8设计不合理，存在钩挂、脱出风险9热试验后结构件异常复合成型前加强板长期贮存吸湿且未烘干处理，加强板区域排气不畅，使胶接强度降低；在热真空环境下水汽释放，导致加强板区域脱粘表4相关经验在标准规范中的完善情况25-航天标准化2022 年第 4 期3.2标准嵌入软件智能获取应用总体设计部尝试建立更加智能的标准获取方式。通过在设计分析平台软件中，按流程、模块内置相关知识和标准，通过智能推送、快速检索方式提升标准规范的可获得性、准确性3。有效提升标准规范的使用，做到同行业单位中的横向一致。总体设计部利用太阳翼综合设计系统，把太阳翼相关标准、设计规范、知识经验等解构形成知识点，嵌入到设计流程和软件中，实行知识库结构化，知识点模型化，