航天器典型部件超高速撞击失效模式

郑世贵 闫军 宫伟伟 （中国空间技术研究院总体设计部）

1 引言

现代航天器部件种类、数量繁多，包括机械部件、电子和电气设备，其中电子和电气设备数量越来越多，已远超过机械部件。统计发现电子和电气故障占航天器故障总数的54%，机械和热故障约占航天器故障总数的27%，软件故障占航天器故障总数的12%，其余故障原因不明。空间环境是造成卫星故障的主要因素之一，包括：太阳辐射、宇宙射线、电磁风暴和空间碎片。前三种因素主要影响电子和电气设备，而空间碎片既能造成机械故障，也能造成电子和电气设备故障。

本文针对航天器平台的典型电气设备：功率电缆、数据电缆、射频电缆、太阳电池阵、锂电池在超高速撞击下的损伤进行了梳理，给出了主要失效模式，为航天器的超高速撞击风险评估和防护设计提供支撑。

2 典型部件失效模式

电缆

航天器舱内外会布局有大量功率电缆、数据电缆、射频电缆，以进行电力输送、信号传输。如国际空间站舱外有几千米的功率电缆，评估与减少超高速撞击导致的功率电缆失效一直是国际空间站任务的焦点。

美国国家航空航天局（NASA）和恩斯特马赫研究所（EMI）对电缆开展了一系列超高速撞击实验。实验表明，电缆短路与开路是实验中最常出现的两种失效模式，而且短路比开路更常出现，因为电缆开路需要更大的弹丸动能；影响撞击结果的主要因素不是撞击角而是撞击位置。

NASA开展了25次功率电缆、97次双绞数据电缆、12次同轴射频电缆超高速撞击实验，撞击角度0˚和45˚，弹丸为铝球与钢球，弹丸直径1.984~3.57mm，速度5.7~6.9km/s。实验表明，当铝弹丸直径2.38~3.1785mm且速度6.9km/s时，电缆发生短路概率高。

NASA功率电缆

同轴射频电缆

数据电缆

EMI对功率电缆、双绞数据电缆、射频电缆各开展了10次超高速撞击实验，撞击角度0°，弹丸直径1.5~4.0mm，速度6.42~7.70km/s。电缆处于热控多层（MLI）防护或MLI+蜂窝板防护状态。实验中出现了短路与开路两种失效模式，与NASA实验结论基本一致。

日本针对先进对地观测卫星（ADEOSII）在轨失效（电缆功率在3min内突然从6kW降低到1kW）研究表明，一旦电缆导线裸露，并在导线与导线之间或导线与其他表面之间电位差达60V时，会形成持续放电，导致临近所有电缆都被烧毁。地面实验表明，10对电缆都在30s内被烧毁，导致电缆短路或开路，与在轨功率损失的遥测数据非常匹配。

针对我国卫星常用功率电缆的撞击实验表明，直径0.8mm的铝弹丸在3.172km/s就能切断导线，形成开路，临近的电缆绝缘层破坏、导线轻微损伤，撞击瞬间电压出现很大波动（正常电压6.3V，撞击波动范围4.5~9.5V）。

我国某低轨遥感卫星太阳翼功率电缆遭受撞击后，供电能力在短时间内逐步散失，地面实验验证表明功率电缆在遭受撞击后，形成持续放电导致整束电缆烧毁，与卫星在轨功率损失的遥测数据非常匹配。

综合超高速撞击实验与在轨故障情况，可知功率电缆遭受空间碎片撞击后存在四类失效类型：

1）电缆导线被切断导致的开路；

2）电缆火线与零线贯通导致的短路，或导线与接地设备之间的贯通，接地设备包括电缆本身的接地防护或电缆连接的接地结构；

3）短路或其他原因引起的电缆持续放电，放电产生的热量会烧毁邻近电缆的绝缘表层，直到所有电缆都被烧毁；

4）电缆无机械损伤，但电压波动超过一定数值，如波动超过工作电压的40%，导致设备损坏，在设计时增加电路断路器。

数据电缆、射频电缆遭受空间碎片撞击后存在两类失效类型：

1）电缆导线被切断导致的开路；

2）电缆绝缘层破坏，金属导线裸露，可能导致短路。

功率电缆、数据电缆、射频电缆典型撞击实验

太阳电池阵

空间碎片撞击到太阳电池阵，不仅有机械损伤，如电池片与绝缘层的破坏，还有撞击引起的局部高密度等离子体导致的电损伤。

太阳电池阵结构由硅电池片和基板组成，太阳电池片上粘贴玻璃盖片组成叠层太阳电池片，以提高抗辐射和抗微小空间碎片撞击损伤能力；叠层太阳电池片经串并联后组成太阳电池电路，并通过硅胶粘接在基板上。在太阳电池片和基板之间粘有一层聚酰亚胺薄膜，起绝缘作用。在太阳电池阵的背面敷设电路引出线，组成了板电缆和板间电缆，通过电连接器将板间电缆连接，以把电流传输进入卫星。

NASA开展的多个撞击实验验证了超高速撞击太阳电池阵会诱发放电效应。NASA把超高速撞击太阳电池阵的放电效应分为三个类型：初级放电、瞬间持续放电和持续放电。初级放电为撞击过程中发生的放电，撞击结束放电结束；瞬间持续放电为放电电流等于外电路电流的情况至少持续2μs；持续放电为撞击后形成的永久短路通路产生的放电。

瞬间持续放电和持续放电的机理：撞击穿孔后，撞击产生的等离子体在电池片与基板间持续放电。等离子体扩散时，进入基板的离子相互碰撞，产生了中性气体与二次电子，此时基板成为了阴极。由于离子碰撞（取决于一定条件）导致基板局部温度升高，又发生了热电子发射现象。这些过程把中性气体与电弧离子化，导致能不断产生新的离子与电子，这是撞击产生的等离子扩散结束后仍能维持电弧存在的原因。如果在绝缘层被热量碳化之前放电停止，那么该放电被称为瞬间持续放电，否则就是持久放电。

基于以上认识，基板在撞击点累积的离子电流密度对持续放电起着极其重要的作用，实验表明离子电流密度正比于弹丸动能，更高的撞击速度更易引发永久持续放电，但实验表明，即使撞击速度为2.1km/s也能引发永久持续放电。

初级放电和瞬间持续放电引起的太阳电池电路故障一般局限于超高速撞击机械损伤范围，即几个太阳电池片失效；而永久持续放电则有更大概率烧毁撞击周围的电缆、电连接器，从而造成几个太阳电池电路失效。

锂电池

锂电池芯结构由铝蜂窝板和纤维层组成。锂电池芯在遭到弹丸撞击时，受损锂电池会发生热泄漏，而且可能传导到邻近的电池芯，导致邻近未受损的电池芯也可能过热，并发生热泄漏。

NASA针对国际空间站锂电池开展了5次实验。实验表明，当电池芯结构被穿透时，电池芯温度升高、芯内物质喷出、某些情况还出现自打火，多数情况下，邻近电池芯也出现温度升高，温度升高本质上会导致未受损电池芯由于热泄漏而失效。因此，锂电池设计应不允许电池壳穿透，防止电池芯受到撞击破坏，导致严重后果。

3 小结

本文梳理了功率电缆、数据电缆、射频电缆、太阳电池阵、锂电池在超高速撞击下的主要失效模式，其中功率电缆持续放电导致的整束电缆烧毁、太阳电池阵持续放电导致的电池片大面积烧毁会对航天器造成严重后果。航天器设计应重点关注这两个失效模式，研究其发生条件、作用机理，采取必要措施减少该失效模式发生概率。