地面輻照實(shí)驗(yàn)與空間遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

鮑偉豐，崔新宇，薛梅，鄒世純

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

地面輻照實(shí)驗(yàn)與空間遙測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比分析

鮑偉豐，崔新宇，薛梅，鄒世純

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

收集、整理了基于地球同步軌道(以下簡(jiǎn)稱GEO軌道)運(yùn)行的中星10號(hào)太陽(yáng)電池陣的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)，并與地面輻照實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對(duì)，初步摸索出了太陽(yáng)電池陣在GEO軌道輻照條件下的性能變化趨勢(shì)。分析了現(xiàn)有地面輻照實(shí)驗(yàn)方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

GEO軌道；太陽(yáng)電池陣；遙測(cè)；地面輻照實(shí)驗(yàn)；輻照衰降

太陽(yáng)電池陣是航天器電源系統(tǒng)的重要組成部分，通過(guò)光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能，滿足衛(wèi)星平臺(tái)及有效載荷功率需求，同時(shí)為蓄電池充電，滿足陰影期衛(wèi)星功率需求。我國(guó)自行研制的GEO軌道通信衛(wèi)星具有整星功率大、承載能力強(qiáng)、服務(wù)壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，位于衛(wèi)星艙外的太陽(yáng)電池陣在整個(gè)壽命期內(nèi)將經(jīng)受GEO軌道空間帶電粒子輻照和紫外輻照等環(huán)境影響，使太陽(yáng)電池陣的功率輸出能力隨著衛(wèi)星在軌時(shí)間的推移而逐漸降低。因此，分析在軌衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣的衰降變化并與現(xiàn)有地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，將對(duì)后續(xù)太陽(yáng)電池產(chǎn)品的耐輻照設(shè)計(jì)、考核工作具有很好的指導(dǎo)意義。

本文針對(duì)在軌運(yùn)行的GEO軌道衛(wèi)星開(kāi)展了三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，并將遙測(cè)值與地面輻照實(shí)驗(yàn)前后測(cè)試數(shù)據(jù)及分析結(jié)果相比較，據(jù)此對(duì)太陽(yáng)電池陣在軌衰降情況、地面輻照實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和可靠性進(jìn)行評(píng)估。

1 太陽(yáng)電池陣的主要技術(shù)參數(shù)

各衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣的主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

太陽(yáng)電池陣相關(guān)的在軌遙測(cè)參數(shù)如表2所示。

2 在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 在軌功率分析

根據(jù)遙測(cè)數(shù)據(jù)VN4計(jì)算出太陽(yáng)電池陣的分流級(jí)，再依據(jù)南、北太陽(yáng)翼輸出總電流和分流狀態(tài)，推導(dǎo)出太陽(yáng)電池陣工作電流，以此計(jì)算太陽(yáng)電池陣輸出到母線的功率值，即：

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式中：Po為太陽(yáng)電池陣輸出到母線的功率值；Io為太陽(yáng)翼輸出到母線的電流值。

分流級(jí)采用如下公式推導(dǎo)：

式中：VMEA為遙測(cè)值VN4；nS3R為處于調(diào)節(jié)狀態(tài)的分流電路序號(hào)。

工作電流采用如下公式推導(dǎo)：

式中：ΔI分流-工作為電路分流電流與工作電流的差。

以發(fā)射時(shí)間最長(zhǎng)的中星10號(hào)為例，分析其遙測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算得到太陽(yáng)電池陣在軌輸出特性，見(jiàn)表3。

太陽(yáng)電池陣在軌輸出特性遙測(cè)值與預(yù)計(jì)值對(duì)比結(jié)果如圖1所示。

圖1 中星10號(hào)太陽(yáng)電池陣輸出功率遙測(cè)值與預(yù)計(jì)值對(duì)比曲線圖

對(duì)比曲線表明，功率遙測(cè)值與預(yù)計(jì)值變化趨勢(shì)基本一致，表明衛(wèi)星在軌工作狀態(tài)良好，太陽(yáng)電池陣輸出穩(wěn)定。

2.2 輸出性能變化趨勢(shì)分析

衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，空間輻照環(huán)境會(huì)造成太陽(yáng)電池陣的電性能衰降，表現(xiàn)在遙測(cè)數(shù)據(jù)上即為輸出電流呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢(shì)。

通過(guò)對(duì)遙測(cè)數(shù)據(jù)VN1和VN4進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間，太陽(yáng)電池陣分流級(jí)變動(dòng)不大，母線電壓保持穩(wěn)定，因此可以用太陽(yáng)翼輸出電流的變化情況表征太陽(yáng)電池陣電性能衰降情況，結(jié)果列入表4。

觀察表中太陽(yáng)電池電路的輸出電流變化率和變化趨勢(shì)表明，太陽(yáng)電池陣在軌初期的性能衰降較為明顯，特別是前兩年，性能衰降約為每年2%～3%，而后明顯趨于平緩，數(shù)據(jù)顯示，第3年較第2年衰降只有大約1%左右。

分析初期性能衰降較明顯的原因，主要是由于空間輻照環(huán)境以及太陽(yáng)電池輻照衰降規(guī)律的影響，其中紫外輻照環(huán)境會(huì)造成太陽(yáng)電池蓋片及其膠粘劑的透光率下降，從而導(dǎo)致了太陽(yáng)電池輸出電流的降低，但這種對(duì)透光率的影響在初期一經(jīng)形成，后期便不會(huì)繼續(xù)加劇，將基本只受到粒子輻照的影響；而三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的粒子輻照衰降也是呈現(xiàn)初期大后期小的規(guī)律。故太陽(yáng)電池的衰降變化會(huì)逐漸趨緩。

圖2顯示了中星10號(hào)衛(wèi)星太陽(yáng)電池陣在軌輸出電流的變化趨勢(shì)。

圖2 南北太陽(yáng)翼輸出總電流變化趨勢(shì)圖

3 地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 地面實(shí)驗(yàn)原理

電子對(duì)電池的穿透本領(lǐng)遠(yuǎn)大于質(zhì)子的穿透本領(lǐng)。同質(zhì)子一樣，如果只考慮一種復(fù)合中心，且處于能隙中心，少數(shù)載流子的壽命與電子劑量的關(guān)系為:

式中：Ke為電子輻照少數(shù)載流子壽命的退化常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。

少數(shù)載流子的擴(kuò)散長(zhǎng)度與電子劑量有類似式(4)的關(guān)系，只是損傷系數(shù)不同。

電子輻照引起太陽(yáng)電池性能的損傷與劑量有一定的關(guān)系，對(duì)GaAs太陽(yáng)電池這一關(guān)系可表達(dá)為：

式中：R為電池輻照后的短路電流、開(kāi)路電壓或最大輸出功率與輻照前的相應(yīng)量之比；α和β是跟材料有關(guān)的兩個(gè)常量。

影響太陽(yáng)電池效率的主要因素是電池工作時(shí)的少數(shù)載流子的復(fù)合壽命t(ms)及其擴(kuò)散長(zhǎng)度L(mm)。當(dāng)載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度改變時(shí)，電池的輸出性能也跟著發(fā)生變化，載流子壽命和擴(kuò)散長(zhǎng)度是電池性能改變的內(nèi)因。在入射波長(zhǎng)范圍一定的條件下，少數(shù)載流子的壽命越長(zhǎng)，擴(kuò)散長(zhǎng)度越大，其復(fù)合前生存的時(shí)間和擴(kuò)散的距離就越大，電池的效率就越高，性能越好。

對(duì)不同研究階段的太陽(yáng)電池進(jìn)行電子輻射實(shí)驗(yàn)是太陽(yáng)電池分析抗輻射性能的基本方法，在實(shí)驗(yàn)中使用電子槍作為電子源，通過(guò)控制束流和實(shí)驗(yàn)時(shí)間來(lái)控制輻照劑量。實(shí)驗(yàn)前后通過(guò)對(duì)電池進(jìn)行電性能測(cè)試和光譜測(cè)試，分別得到砷化鎵太陽(yáng)電池電性能及各結(jié)層的衰降情況。

3.2 地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

針對(duì)太陽(yáng)電池的耐輻照性能，除進(jìn)行研究性的電子及質(zhì)子輻照之外，每個(gè)生產(chǎn)批次的電池，均進(jìn)行質(zhì)量一致性檢驗(yàn)，檢驗(yàn)內(nèi)容中就包括電子輻照實(shí)驗(yàn)。中星10號(hào)為我國(guó)首顆發(fā)射的采用批產(chǎn)三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池的大功率、大面積太陽(yáng)電池陣，其采用的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池批次進(jìn)行了詳細(xì)的地面輻照實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

典型能級(jí)輻照前后I-V曲線對(duì)比：

(1)1 MeV電子3.0×1013

圖3為1 MeV電子3.0×1013輻照前后I-V特性對(duì)比圖。

圖3 1MeV電子3.0×1013輻照前后I-V特性對(duì)比圖

(2)1 MeV電子1.0×1014

圖4為1 MeV電子1.0×1014輻照前后I-V特性對(duì)比圖。

(3)1 MeV電子5.0×1014

圖5為1 MeV電子5.0×1014輻照前后I-V特性對(duì)比圖。

(4)1 MeV電子1.0×1015

圖6為1 MeV電子1.0×1015輻照前后I-V特性對(duì)比圖。

圖4 1MeV電子1.0×1014輻照前后I-V特性對(duì)比圖

圖5 1MeV電子5.0×1014輻照前后I-V特性對(duì)比圖

圖6 1MeV電子1.0×1015輻照前后I-V特性對(duì)比圖

(5)1 MeV電子3.0×1015

圖7為1 MeV電子3.0×1015輻照前后I-V特性對(duì)比圖。

圖7 1MeV電子3.0×1015輻照前后I-V特性對(duì)比圖

典型能級(jí)輻照前后量子效率圖如圖8所示。

圖8 1MeV電子輻照實(shí)驗(yàn)后量子效率數(shù)據(jù)

三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池輻射衰減理論分析和輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，中間電池抗輻射性能是決定整體電池抗輻射性能的主要因素。三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池輻射前，電流受頂電池即GaInP2電池的限制，輻射后的電流受中間電池GaAs電池的限制，而頂電池的抗輻射性能明顯優(yōu)于中間電池，因此太陽(yáng)電池中間電池電流在輻照前后的變化率可反映完整電池的抗輻照能力。

4 數(shù)據(jù)對(duì)比分析

將地面測(cè)試數(shù)據(jù)取通常使用的等效1 MeV的測(cè)試數(shù)據(jù)，刨除峰年等影響，可以均勻擬合成一條曲線，顯示出在壽命期內(nèi)不同時(shí)間的太陽(yáng)電池輻照衰降情況(圖9)。

圖9 地面實(shí)驗(yàn)預(yù)計(jì)15年壽命太陽(yáng)電池陣功率衰降曲線

將中星10號(hào)遙測(cè)下來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行衰降分析，得到不同時(shí)間的衰降數(shù)據(jù)，并將衰降數(shù)據(jù)擬合成一條衰降曲線(圖10)。

將地面遙測(cè)的中星10號(hào)的數(shù)據(jù)擬合的曲線與地面實(shí)驗(yàn)得到的輻照曲線進(jìn)行對(duì)比，可以看出二者非常接近，充分證明了地面實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性和有效性。而遙測(cè)數(shù)據(jù)普遍在地面遙測(cè)擬合曲線之上，更驗(yàn)證了地面實(shí)驗(yàn)的可靠性。

5 結(jié)論

地面實(shí)驗(yàn)得到的衰降數(shù)據(jù)，與空間遙測(cè)數(shù)據(jù)相比(圖11)，非常接近，刨除1%的紫外輻照衰降，還留有一定的余量，證明了現(xiàn)在采用的地面模擬實(shí)驗(yàn)方法是準(zhǔn)確、有效以及可靠的?？梢杂脕?lái)對(duì)三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池進(jìn)行空間粒子輻照衰降分析及預(yù)計(jì)[1-2]。

圖10 中星10號(hào)太陽(yáng)電池陣在軌衰降曲線

圖11 遙測(cè)衰降曲線地面實(shí)驗(yàn)衰降曲線對(duì)比

[1]漢斯·S·勞申巴赫.太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].張金熹，廖春發(fā)，傅德棣，等譯.北京.宇航出版社，1987.

[2]穆肯德·R·帕特爾.航天器電源系統(tǒng)[M].韓波，陳琦，崔曉婷，譯.北京：中國(guó)宇航出版社，2010.

Analysis of ground irradiation test result and space remote sensing data

BAO Wei-feng,CUI Xin-yu,XUE Mei,ZOU Shi-chun
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

The remote sensing data of the solar array on geosynchronous orbit(GEO)was collected.The data was compared with ground irradiation test result.The variation tendency of the solar array under GEO irradiation condition was groped,and the accuracy and reliability of the ground irradiation testing method were analyzed.

GEO orbit;solar array;remote sensing,ground irradiation test;irradiation decline

TM 914

A

1002-087 X(2016)08-1653-04

2016-03-08

鮑偉豐(1990—)，男，天津市人，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樘?yáng)電池。