微小碎片超高速撞击太阳电池阵的研究进展

宋瑞海，张书锋，张明志，佘咏梅

(北京东方计量测试研究所，北京 100029)

0 引言

按照IADC(Inter-Agency Space Debris Coordinatrion Committee，机构间空间碎片协调委员会)在《空间碎片减缓指南》中给出的定义，空间碎片系指轨道上的或重返大气层的无功能人造物体，包括其残块和组件［1］。截至2005年5月30日，空间碎片总数量已经有约4千万个，总质量已经达到数百万千克。其中，空间碎片主要分布在低地球轨道以及同步轨道上。

对与空间碎片有关的问题进行研究已经受到充分的重视，各航天国家纷纷成立了专门的研究机构，我国国防科技工业局也成立了空间碎片小组。2013年10月在昆明市召开了第七届全国空间碎片会议，交流了我们国家空间碎片的研究成果和未来的工作重点。

空间碎片与航天器的平均碰撞速度为10 km/s，这类碰撞为超高速碰撞，撞击会伴随着相变以及等离子体的形成等过程。从空间碎片对航天器的各种部件和机构的影响来看，撞击危害度从高到低如下:太阳电池、压力容器、热控材料、热管防护材料、蜂窝火层结构、蓄电池、大型抛物面天线等［2］。1958年8月美国发射的“探险者6号”卫星首次采用展开式太阳电池阵以来，空间太阳电池阵一直用作宇宙飞船、人造卫星的主要电源。太阳电池阵主要分为刚性太阳电池阵、柔性太阳电池阵和聚光太阳电池阵三种类型。目前普遍应用的是刚性太阳电池阵，如我国的DFH－3系列卫星、神舟飞船用太阳电池阵;柔性太阳电池阵主要是俄罗斯的卫星在普遍应用;现阶段聚光太阳电池阵的研究也越来越受到重视。所以文章就重点讨论空间碎片对太阳电池的效应。

超高速碰撞的特点是在其碰撞的瞬间，初始冲击波产生的高压和高温使部分材料发相变而出现固、液、气共存的状态［3］。对超高速碰撞所引起的许多问题，如冲击加热，材料的大变形流动、穿透、断裂或层裂的准则与过程、材料的飞溅与微喷射、相变与衰变及高速碎片云对航天器造成的机械的、物理的和化学的累积损伤等，无论从宏观角度还是从微观角度都使其研究具有很高的难度。虽然超高速碰撞问题已经研究了几十年，定期召开的国际超高速碰撞会议汇集了该领域大量的研究成果，其中一些已经在工程实际中得到应用。但是新材料的出现也为超高速碰撞增加了新的研究内容。对上述问题的深入了解有助于建立更先进的撞击效应模型，辅之以数值模拟(有限差分法等)技术的研究，来研究各种局部的或整体的超高速碰撞现象。对于超高速碰撞的机理和实验技术还有大量的工作要做。文章就微小碎片超高速碰撞太阳电池阵的效应做了论述。

1 微小碎片超高速撞击产生等离子体的研究

早在上世纪70年代初，有大约几十颗地球同步卫星出现了不同的异常现象，这些故障甚至使得有些卫星完全损坏。这些卫星包括DSCS II(Defense Satellite Communication SystemII)、DSP(Defense Support Program)，Intelsat III，Intelsat IV等。发生的故障包括卫星自动复位、卫星供电故障、卫星探测器信号噪音、高度控制系统错误等。经过科研人员进一步的分析，结果表明这些卫星发生的故障可以认为是空间等离子体和卫星相互作用使得卫星充电所引起的，后来的理论和实验研究以及实际的卫星观测更证实了这一结论。

航天器的太阳电池阵，有较大面积裸露在空间等离子体中，使得太阳电池阵的充放电现象很常见。太阳电池阵的充放电会导致太阳电池功率损耗，降低电池阵的功率输出;同时放电的产生也会引起太阳电池阵物理上的损伤，使得太阳电池阵的转换效率降低，甚至不能正常工作。所以了解太阳电池阵的材料与空间等离子体之间相互作用的性质就更显得重要。

美国学者Frichtenicht和Slattery于1963年首次发现了超高速撞击产生等离子体现象。在航天器空间环境中，空间微小碎片、流星体数量巨大在与航天器及组部件撞击过程中，产生等离子体云，若此等离子体进入航天器内部电路，可造成航天器故障，严重地威胁在轨航天器的安全。

日本S.Fukushige博士介绍了空间碎片撞击太阳阵引起的局部高密度等离子体［4－8］，试验装置如图1所示，该等离子体会引发太阳阵的二次放电，特别是引起永久持续电弧放电(permanent sustained arc，PSA)。试验时太阳电池阵放在真空靶室，碎片撞击速度为2.08 ～4.82 km/s，碎片 直径为3 mm的Al2017的圆球。通过测量获得了超高速撞击速度为3.78 km/s时产生的等离子体的电子密度如图2所示、电子温度如图3所示。

图1 KIT超高速撞击试验装置图

图2 电子浓度

图3 电子温度

2 微小碎片超高速撞击试验的设计

空间微小碎片高速撞击太阳电池阵的效应研究，最直接的手段是天基飞行实验，如美国航空航天局的长期暴露装置LDEF。美国航空航天局/欧空局的哈勃空间望远镜HST等天基实验，就是利用航天器表面观察器在轨原位观察撞击损伤特性或回收航天器表面实验样品后，通过地面分析来测定空间微小碎片及撞击损伤信息。

但是进行实际空间飞行实验的代价非常大，因此很有必要在地面实验室开展有关太阳电池阵的材料在空间等离子体环境中性质变化的研究。研究空间微小碎片高速撞击太阳电池阵效应最经济和最有效的手段是地面模拟实验，相应的设备主要是等离子体加速器(微米级碎片的地面模拟设备)和二级轻气炮(用于加速毫米级以上微粒)。

在等离子体诊断方面常用静电探针，亦称朗缪尔探针(Langmuir Probe)，是最早用来诊断等离子体特性的工具之一。它具有结构简单，测量范围广等优点。这种方法主要是测量流入探针的电流和加到探针的偏压之间的关系，即探针I－V特性曲线，由其推导出等离子体的电子温度、密度、能量分布和等离子体电位等重要参数。

超高速撞击产生的等离子体具有寿命短暂性、粒子的波动性和粒子分布的不匀性;加之被测对象处在极其恶劣的环境中，更增加了测量的难度。Langmuir三探针诊断技术能够实时测量瞬态等离子体的电子温度、电子密度等参数。典型的Langmuir三探针如图4所示［9］。

图4 Langmuir三探针电路测量等离子体示意图

对于三探针技术，在探针P1和探针P2之间加恒定电压Vd2，探针P2的电流为I2，有电压表 V2测量;同理，在探针P1和探针P3之间加恒定电压Vd3，探针P3的电流为I3，有电压表V3测量。假定探针区域的空间电位是均匀的，且在无碰撞、无磁场条件下。

等离子体的电子温度Te满足以下公式:

式中:φd2=eVd2/κTe;φd3=eVd3/κTe;e 是基本电荷量;κ是玻耳兹曼常数。

最后可得到等离子体的电子密度Ne为:

式中:mi是等离子体的离子质量;S是探针离子收集表面积;Ii是离子电流，且

式中:φΔV=Vd2+Vd3。

根据以上方案可以出测量瞬态等离子体的电子温度、电子密度等参数。

3 放电检测技术的初步分析

微小碎片撞击太阳电池阵引发的二次放电的电流持续时间短，峰值较大，需要专门的测量装置。S.Fukushige博士［4－8］介绍 KIT 实验室采用的太阳电池片外部电路如图5所示，监测到太阳电池二次放电情况如图6所示。

图5 太阳电池片外部电路图

放电试验过程分析如下:

实验时，太阳电池阵样品安装在特制框架上，电池阵上有电池的一面朝向靶室的观察窗口，电池阵尽量靠近罐的中轴线上。电池阵的引线单独接到法兰盘上，用静电探针探测靶室容器中微小碎片高速撞击太阳电池阵产生的等离子体，同时利用太阳模拟器电源(SAS)或直流电源为太阳电池串加上偏置电压，为太阳电池提供工作电压和工作电流，模拟工作状态。试验中为了补偿太阳电池阵小样品板的对地低电容，在小样品板上增加一个电容。采用多个电流传感器(配合多通道高速示波器)检测和记录二次放电电流脉冲，测量二次放电的持续时间、电流幅值，以及放电能量等关键指标［10－12］。

图6 模拟实验中诱发放电结果

二次放电试验外电路参照国内的研究成果设计如图7所示。

图7 试验外电路设计图

R1为 125 Ω，R2为20 kΩ，撞击前，通过在直流电源上加上1 400 V的高压，使得电路中的电容器带上一定的电荷，在碎片超高速撞击前的瞬间关掉电源。采用示波器分别在R1、R2上取信号，当撞击诱发放电发生时，示波器中就能采集到需要的信号。通过以上仪器的合理搭建，满足了检测和记录二次放电的检测技术［13］。

4 太阳电池相关参数的测试方法

试验中采用航天用的太阳电池如图8所示，在试验前先对其电学参数进行测试。太阳电池测试按照国家标准GB 6494—86《航天用太阳电池电性能测试方法》所规定的方法和标准执行。做完碎片超高速撞击试验的太阳电池也在标准规定的测试环境下，采用人造测试光源、电压表、电流表、标准太阳电池、取样电阻、可变电阻、函数记录仪等，如图9所示电路进行测量，除短路电流、开路电压可以直接从仪表读取外，其余参数如最大输出功率、最大输出电压、最大输出电流、转化效率等参数都可以通过测量待测电池的伏安特性而得到［14］。

图8 28%三结砷化镓太阳电池

图9 实用伏安特性曲线测量系统示意图

5 空间微小碎片撞击太阳电池阵防护技术分析

2000年启动的“空间碎片行动计划”是我国系统开展空间碎片研究的开始，该计划主要针对10 cm及其以上大空间碎片的监测预警研究。2005年第二届全国空间碎片专题研讨会上，在有关专家的建议下，空间微小碎片的研究开始得到重视和支持，对于空间微小碎片的研究主要是防护技术。

为了保障大功率太阳电池阵在轨长寿命、高可靠运行，防止空间微小碎片撞击太阳电池阵放电损伤而失效，可以从以下几个方面考虑［15－16］。

(1)使相临两个太阳电池片的间隙≥1 mm，并在边缘填涂RTV胶，使空间碎片撞击产生的等离子体和太阳电池之间建立了一个势垒，阻止了二次放电的发生;

(2)采用多次往返布片的形式，减少相邻两个电池间的电压差小于75 V;

(3)减少电路并联数，减小每个电路的电流，使其小于1.6 A，降低发生静电放电的几率;

(4)在电池玻璃盖片表面蒸镀金属氧化物涂层，并与卫星“结构地”连接，使沉积在盖片表面的电荷得到泄放，消除轨道高压静电电荷的积累，彻底防止了静电充/放电的发生。

6 结论

通过大量的试验，可以得出空间微小碎片撞击太阳电池阵能够产生大量等离子体，诱发放电故障机制不仅是存在的，而且已被列为空间碎片对航天器影响最为严重的一种机制，但由于卫星上普遍不具备对微小碎片撞击太阳电池阵的实时监测设备、难以获得撞击诱发放电的直接证据，因此相关研究比较缺乏。就目前来看，完全掌握空间微小碎片撞击引起的太阳能电池阵放电现象与机理及其太阳能电池阵的防护措施有一些困难。

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