球载电源轻量化设计及其结构优化策略

一、引言

球载电源作为浮空平台的核心能源供给单元，其设计必须满足严格的重量限制和空间约束要求。与传统电源系统不同，浮空产品的电源系统需要特别考虑高空环境适应性和单人操作可行性。设备主要安装在球体下方有限空间内，要求设备重量轻、体积小，便于作业人员借助架设车进行单人安装维护。这种特殊应用场景对设备的材料选择、结构设计和制造工艺提出了全新挑战。通过轻量化设计，不仅可以降低浮空平台的整体重量，提高载荷能力，还能显著提升设备的可操作性和维护便利性。

二、球载电源的特殊设计要求

（一）球载电源产品特性分析

球载电源作为典型的浮空产品，其设计必须充分考虑独特的运行环境和作业条件。在高空环境适应性方面，系统需要耐受极端的工作条件：低气压环境要求所有组件具备良好的密封性能，防止内部元器件因气压变化受损；强辐射条件则要求关键电子元件具有抗辐射加固设计。此外，昼夜温差可达 200^∘C 以上的热循环环境对材料的热稳定性和结构的热变形控制提出了严峻挑战。在空间布局方面，所有设备必须紧凑地集成在球体下方直径不足 1.5 米的环形空间内，这种受限布局不仅要求设备体积最小化，还需要精心设计设备的安装位置和走线路径，避免相互干扰。操作便捷性设计尤为关键，考虑到高空作业的特殊性，所有维护操作必须设计为单人即可完成，这要求设备接口标准化、操作流程简化，并配合专用架设车提供稳定的工作平台和必要的辅助功能。

（二）系统组成与功能优化

针对球载产品的特殊要求，电源系统在三大核心组件上进行了深度优化。蓄电池组采用模块化设计理念，将传统整体式电池分解为多个标准化子模块，每个模块重量控制在 20kg 以内，支持热插拔更换。模块间采用快拆式高压连接器，并集成智能识别系统，可自动完成新模块的参数匹配和系统重构。电源管理单元通过高度集成化设计，将传统分散的充放电管理、功率分配、状态监测等功能整合到单一机箱内，体积缩小 40% 。采用三维堆叠封装技术和液冷散热方案，在有限空间内实现了功率密度的大幅提升。所有优化设计都经过严格的环境适应性测试，确保在浮空应用场景下的可靠性和维护便利性。

三、轻量化设计关键技术

（一）材料创新应用

在材料创新方面，球载电源突破了传统金属材料的局限，构建了全新的材料体系。碳纤维复合材料作为主要承力结构材料，通过优化铺层设计和树脂基体选择，在保证结构刚度的前提下实现了 45% 的减重效果。这种材料不仅具有优异的比强度和比刚度，其热膨胀系数可调的特性还很好地适应了太空环境的温度变化。在关键连接部位，采用 TC4 钛合金紧固件替代传统钢制紧固件，在保证连接可靠性的同时将连接件重量降低 30% ，并有效避免了不同材料间的电化学腐蚀问题。针对极端温度环境，研发了新型纳米多孔气凝胶隔热材料，其导热系数低至 0.015W/(m⋅K) ，在同等隔热性能下厚度仅为传统隔热材料的1/5 ，大幅减轻了热防护系统的重量。这些先进材料的组合应用，使电源系统在轻量化、可靠性和环境适应性等方面达到了新的水平。

（二）结构强度优化

结构优化设计采用了多学科协同的方法，通过拓扑优化技术对主要承力部件进行重构，基于有限元分析结果去除冗余材料，使结构重量减轻 20% 的同时

刚度提高 15% 。模块化连接设计将系统分解为多个功能独立的子模块，通过标准化接口实现快速拆装，不仅简化了装配流程，还减少了 30% 的连接结构重量。

（三）生产工艺改进

生产工艺的创新为轻量化设计提供了制造保障。选择性激光熔融 3D 打印技术用于制造具有复杂内部流道和轻量化结构的部件，实现了传统加工方法难以完成的异形散热结构和拓扑优化构型。数字化装配系统通过激光跟踪仪和视觉引导技术，实现关键部件的亚毫米级装配精度，装配时间缩短 40% ，且大幅降低了对熟练工人的依赖。这些先进制造技术的综合应用，不仅提高了产品质量一致性，还为后续批量生产奠定了坚实基础。

四、单人操作解决方案

（一）人机工程学设计

人机工程学设计是确保单人操作可行性的核心。设备布局采用 " 黄金操作区域 " 原则，将所有需要频繁操作的接口和显示器设置在作业人员触手可及的范围，操作力控制在 25N 以内。快拆接口采用颜色编码和防错设计，包括旋转锁紧式电连接器、凸轮锁紧式管路接头等，使连接操作时间缩短至 30 秒内。包括扭矩值提示、操作顺序提醒和异常报警，将操作失误率降低 90% 。这些设计细节的优化，使非专业人员经过短期培训即可胜任设备维护工作。

（二）辅助设备配套

完善的辅助设备体系为单人作业提供了全方位支持。专用架设车集成液压调平系统和安全护栏，可在 10 分钟内完成工作平台的搭建，承载能力达200kg ，为高空作业提供稳定支撑。智能工具系统包含自适应扭矩扳手、自动剥线钳等专用工具，通过蓝牙与主控系统连接，实时校验操作参数是否正确。远程监控终端支持 5G 连接，允许地面专家实时查看操作画面并提供指导，必要时可远程锁定设备确保安全。这套辅助系统经过多次任务验证，可确保单人安全高效地完成所有日常维护作业，显著降低了运维成本和人员风险。

结语：

本研究提出的轻量化设计方案有效解决了球载电源在浮空应用中的关键技术难题。通过材料、结构和工艺的系统优化，实现了设备减重的目标，同时保证了结构强度和可靠性。配套的单人操作方案显著提高了设备的可维护性。未来研究将重点探索智能材料、自主装配等新技术的应用，进一步提升系统的性能和使用便利性。

参考文献：

[1] 林辉，王辉. 电力电子技术［M］. 武汉：武汉理工大学出版社，2002.

[2] 吴孟武，黄春江 . 某星载电子设备的力学仿真分析 [J].电子机械工程 ,2015,31(4):49-50.