微小碎片超高速撞擊太陽電池陣的研究進展

宋瑞海，張書鋒，張明志，佘詠梅

(北京東方計量測試研究所，北京 100029)

0 引言

按照IADC(Inter-Agency Space Debris Coordinatrion Committee，機構間空間碎片協(xié)調(diào)委員會)在《空間碎片減緩指南》中給出的定義，空間碎片系指軌道上的或重返大氣層的無功能人造物體，包括其殘塊和組件［1］。截至2005年5月30日，空間碎片總數(shù)量已經(jīng)有約4千萬個，總質(zhì)量已經(jīng)達到數(shù)百萬千克。其中，空間碎片主要分布在低地球軌道以及同步軌道上。

對與空間碎片有關的問題進行研究已經(jīng)受到充分的重視，各航天國家紛紛成立了專門的研究機構，我國國防科技工業(yè)局也成立了空間碎片小組。2013年10月在昆明市召開了第七屆全國空間碎片會議，交流了我們國家空間碎片的研究成果和未來的工作重點。

空間碎片與航天器的平均碰撞速度為10 km/s，這類碰撞為超高速碰撞，撞擊會伴隨著相變以及等離子體的形成等過程。從空間碎片對航天器的各種部件和機構的影響來看，撞擊危害度從高到低如下:太陽電池、壓力容器、熱控材料、熱管防護材料、蜂窩火層結構、蓄電池、大型拋物面天線等［2］。1958年8月美國發(fā)射的“探險者6號”衛(wèi)星首次采用展開式太陽電池陣以來，空間太陽電池陣一直用作宇宙飛船、人造衛(wèi)星的主要電源。太陽電池陣主要分為剛性太陽電池陣、柔性太陽電池陣和聚光太陽電池陣三種類型。目前普遍應用的是剛性太陽電池陣，如我國的DFH－3系列衛(wèi)星、神舟飛船用太陽電池陣;柔性太陽電池陣主要是俄羅斯的衛(wèi)星在普遍應用;現(xiàn)階段聚光太陽電池陣的研究也越來越受到重視。所以文章就重點討論空間碎片對太陽電池的效應。

超高速碰撞的特點是在其碰撞的瞬間，初始沖擊波產(chǎn)生的高壓和高溫使部分材料發(fā)相變而出現(xiàn)固、液、氣共存的狀態(tài)［3］。對超高速碰撞所引起的許多問題，如沖擊加熱，材料的大變形流動、穿透、斷裂或層裂的準則與過程、材料的飛濺與微噴射、相變與衰變及高速碎片云對航天器造成的機械的、物理的和化學的累積損傷等，無論從宏觀角度還是從微觀角度都使其研究具有很高的難度。雖然超高速碰撞問題已經(jīng)研究了幾十年，定期召開的國際超高速碰撞會議匯集了該領域大量的研究成果，其中一些已經(jīng)在工程實際中得到應用。但是新材料的出現(xiàn)也為超高速碰撞增加了新的研究內(nèi)容。對上述問題的深入了解有助于建立更先進的撞擊效應模型，輔之以數(shù)值模擬(有限差分法等)技術的研究，來研究各種局部的或整體的超高速碰撞現(xiàn)象。對于超高速碰撞的機理和實驗技術還有大量的工作要做。文章就微小碎片超高速碰撞太陽電池陣的效應做了論述。

1 微小碎片超高速撞擊產(chǎn)生等離子體的研究

早在上世紀70年代初，有大約幾十顆地球同步衛(wèi)星出現(xiàn)了不同的異常現(xiàn)象，這些故障甚至使得有些衛(wèi)星完全損壞。這些衛(wèi)星包括DSCS II(Defense Satellite Communication SystemII)、DSP(Defense Support Program)，Intelsat III，Intelsat IV等。發(fā)生的故障包括衛(wèi)星自動復位、衛(wèi)星供電故障、衛(wèi)星探測器信號噪音、高度控制系統(tǒng)錯誤等。經(jīng)過科研人員進一步的分析，結果表明這些衛(wèi)星發(fā)生的故障可以認為是空間等離子體和衛(wèi)星相互作用使得衛(wèi)星充電所引起的，后來的理論和實驗研究以及實際的衛(wèi)星觀測更證實了這一結論。

航天器的太陽電池陣，有較大面積裸露在空間等離子體中，使得太陽電池陣的充放電現(xiàn)象很常見。太陽電池陣的充放電會導致太陽電池功率損耗，降低電池陣的功率輸出;同時放電的產(chǎn)生也會引起太陽電池陣物理上的損傷，使得太陽電池陣的轉換效率降低，甚至不能正常工作。所以了解太陽電池陣的材料與空間等離子體之間相互作用的性質(zhì)就更顯得重要。

美國學者Frichtenicht和Slattery于1963年首次發(fā)現(xiàn)了超高速撞擊產(chǎn)生等離子體現(xiàn)象。在航天器空間環(huán)境中，空間微小碎片、流星體數(shù)量巨大在與航天器及組部件撞擊過程中，產(chǎn)生等離子體云，若此等離子體進入航天器內(nèi)部電路，可造成航天器故障，嚴重地威脅在軌航天器的安全。

日本S.Fukushige博士介紹了空間碎片撞擊太陽陣引起的局部高密度等離子體［4－8］，試驗裝置如圖1所示，該等離子體會引發(fā)太陽陣的二次放電，特別是引起永久持續(xù)電弧放電(permanent sustained arc，PSA)。試驗時太陽電池陣放在真空靶室，碎片撞擊速度為2.08 ～4.82 km/s，碎片 直徑為3 mm的Al2017的圓球。通過測量獲得了超高速撞擊速度為3.78 km/s時產(chǎn)生的等離子體的電子密度如圖2所示、電子溫度如圖3所示。

圖1 KIT超高速撞擊試驗裝置圖

圖2 電子濃度

圖3 電子溫度

2 微小碎片超高速撞擊試驗的設計

空間微小碎片高速撞擊太陽電池陣的效應研究，最直接的手段是天基飛行實驗，如美國航空航天局的長期暴露裝置LDEF。美國航空航天局/歐空局的哈勃空間望遠鏡HST等天基實驗，就是利用航天器表面觀察器在軌原位觀察撞擊損傷特性或回收航天器表面實驗樣品后，通過地面分析來測定空間微小碎片及撞擊損傷信息。

但是進行實際空間飛行實驗的代價非常大，因此很有必要在地面實驗室開展有關太陽電池陣的材料在空間等離子體環(huán)境中性質(zhì)變化的研究。研究空間微小碎片高速撞擊太陽電池陣效應最經(jīng)濟和最有效的手段是地面模擬實驗，相應的設備主要是等離子體加速器(微米級碎片的地面模擬設備)和二級輕氣炮(用于加速毫米級以上微粒)。

在等離子體診斷方面常用靜電探針，亦稱朗繆爾探針(Langmuir Probe)，是最早用來診斷等離子體特性的工具之一。它具有結構簡單，測量范圍廣等優(yōu)點。這種方法主要是測量流入探針的電流和加到探針的偏壓之間的關系，即探針I(yè)－V特性曲線，由其推導出等離子體的電子溫度、密度、能量分布和等離子體電位等重要參數(shù)。

超高速撞擊產(chǎn)生的等離子體具有壽命短暫性、粒子的波動性和粒子分布的不勻性;加之被測對象處在極其惡劣的環(huán)境中，更增加了測量的難度。Langmuir三探針診斷技術能夠實時測量瞬態(tài)等離子體的電子溫度、電子密度等參數(shù)。典型的Langmuir三探針如圖4所示［9］。

圖4 Langmuir三探針電路測量等離子體示意圖

對于三探針技術，在探針P1和探針P2之間加恒定電壓Vd2，探針P2的電流為I2，有電壓表 V2測量;同理，在探針P1和探針P3之間加恒定電壓Vd3，探針P3的電流為I3，有電壓表V3測量。假定探針區(qū)域的空間電位是均勻的，且在無碰撞、無磁場條件下。

等離子體的電子溫度Te滿足以下公式:

式中:φd2=eVd2/κTe;φd3=eVd3/κTe;e 是基本電荷量;κ是玻耳茲曼常數(shù)。

最后可得到等離子體的電子密度Ne為:

式中:mi是等離子體的離子質(zhì)量;S是探針離子收集表面積;Ii是離子電流，且

式中:φΔV=Vd2+Vd3。

根據(jù)以上方案可以出測量瞬態(tài)等離子體的電子溫度、電子密度等參數(shù)。

3 放電檢測技術的初步分析

微小碎片撞擊太陽電池陣引發(fā)的二次放電的電流持續(xù)時間短，峰值較大，需要專門的測量裝置。S.Fukushige博士［4－8］介紹 KIT 實驗室采用的太陽電池片外部電路如圖5所示，監(jiān)測到太陽電池二次放電情況如圖6所示。

圖5 太陽電池片外部電路圖

放電試驗過程分析如下:

實驗時，太陽電池陣樣品安裝在特制框架上，電池陣上有電池的一面朝向靶室的觀察窗口，電池陣盡量靠近罐的中軸線上。電池陣的引線單獨接到法蘭盤上，用靜電探針探測靶室容器中微小碎片高速撞擊太陽電池陣產(chǎn)生的等離子體，同時利用太陽模擬器電源(SAS)或直流電源為太陽電池串加上偏置電壓，為太陽電池提供工作電壓和工作電流，模擬工作狀態(tài)。試驗中為了補償太陽電池陣小樣品板的對地低電容，在小樣品板上增加一個電容。采用多個電流傳感器(配合多通道高速示波器)檢測和記錄二次放電電流脈沖，測量二次放電的持續(xù)時間、電流幅值，以及放電能量等關鍵指標［10－12］。

圖6 模擬實驗中誘發(fā)放電結果

二次放電試驗外電路參照國內(nèi)的研究成果設計如圖7所示。

圖7 試驗外電路設計圖

R1為 125 Ω，R2為20 kΩ，撞擊前，通過在直流電源上加上1 400 V的高壓，使得電路中的電容器帶上一定的電荷，在碎片超高速撞擊前的瞬間關掉電源。采用示波器分別在R1、R2上取信號，當撞擊誘發(fā)放電發(fā)生時，示波器中就能采集到需要的信號。通過以上儀器的合理搭建，滿足了檢測和記錄二次放電的檢測技術［13］。

4 太陽電池相關參數(shù)的測試方法

試驗中采用航天用的太陽電池如圖8所示，在試驗前先對其電學參數(shù)進行測試。太陽電池測試按照國家標準GB 6494—86《航天用太陽電池電性能測試方法》所規(guī)定的方法和標準執(zhí)行。做完碎片超高速撞擊試驗的太陽電池也在標準規(guī)定的測試環(huán)境下，采用人造測試光源、電壓表、電流表、標準太陽電池、取樣電阻、可變電阻、函數(shù)記錄儀等，如圖9所示電路進行測量，除短路電流、開路電壓可以直接從儀表讀取外，其余參數(shù)如最大輸出功率、最大輸出電壓、最大輸出電流、轉化效率等參數(shù)都可以通過測量待測電池的伏安特性而得到［14］。

圖8 28%三結砷化鎵太陽電池

圖9 實用伏安特性曲線測量系統(tǒng)示意圖

5 空間微小碎片撞擊太陽電池陣防護技術分析

2000年啟動的“空間碎片行動計劃”是我國系統(tǒng)開展空間碎片研究的開始，該計劃主要針對10 cm及其以上大空間碎片的監(jiān)測預警研究。2005年第二屆全國空間碎片專題研討會上，在有關專家的建議下，空間微小碎片的研究開始得到重視和支持，對于空間微小碎片的研究主要是防護技術。

為了保障大功率太陽電池陣在軌長壽命、高可靠運行，防止空間微小碎片撞擊太陽電池陣放電損傷而失效，可以從以下幾個方面考慮［15－16］。

(1)使相臨兩個太陽電池片的間隙≥1 mm，并在邊緣填涂RTV膠，使空間碎片撞擊產(chǎn)生的等離子體和太陽電池之間建立了一個勢壘，阻止了二次放電的發(fā)生;

(2)采用多次往返布片的形式，減少相鄰兩個電池間的電壓差小于75 V;

(3)減少電路并聯(lián)數(shù)，減小每個電路的電流，使其小于1.6 A，降低發(fā)生靜電放電的幾率;

(4)在電池玻璃蓋片表面蒸鍍金屬氧化物涂層，并與衛(wèi)星“結構地”連接，使沉積在蓋片表面的電荷得到泄放，消除軌道高壓靜電電荷的積累，徹底防止了靜電充/放電的發(fā)生。

6 結論

通過大量的試驗，可以得出空間微小碎片撞擊太陽電池陣能夠產(chǎn)生大量等離子體，誘發(fā)放電故障機制不僅是存在的，而且已被列為空間碎片對航天器影響最為嚴重的一種機制，但由于衛(wèi)星上普遍不具備對微小碎片撞擊太陽電池陣的實時監(jiān)測設備、難以獲得撞擊誘發(fā)放電的直接證據(jù)，因此相關研究比較缺乏。就目前來看，完全掌握空間微小碎片撞擊引起的太陽能電池陣放電現(xiàn)象與機理及其太陽能電池陣的防護措施有一些困難。

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