光学器件的空间粉尘高速撞击效应研究

文章利用静电加速器模拟研究了微小空间碎片及微流星体(空间粉尘)高速撞击镀膜石英玻璃,光学透镜和反射镜的撞击效应与累积损伤特性.扫描电镜观察结果表明,被撞击试样表面的损伤形式为不连续的点缺陷,可发现撞击坑、机械破裂、局部熔化和粉尘微粒子附着;分光光度计测试结果显示,经粉尘累积撞击后,光学透镜的透射率和反射镜的反射率均发生...     

空间微小碎片累积作用下材料光学性能退化预示模型适用性研究

航天器在轨服役期间会遭受到大量空间微小碎片和微流星体的撞击作用,其中的微米级粒子将在航天器表面产生大面积砂蚀现象,并使材料或器件功能衰退。文章介绍了NASA空间微小碎片累积损伤材料光学性能退化预示模型并推导了两个预示模型之间的关系。利用ORDEM2000碎片分布模型估算了K8玻璃累积损伤面积。以K8玻璃为例,对比研究了两个预示模型的适用性。结果表明,当航天器外表面损伤程度小于40%,可利用Canoon模型评价和预示材料光学性能退化规律;当航天器外表面损伤程度大于40%,需利用Mirtich模型评价和预示材料光学性能退化规律。     

ITO/Kapton/Al薄膜材料空间微小碎片与原子氧综合作用试验研究

空间微小碎片与原子氧作用对带防护涂层材料的性能有较大影响。文章针对ITO/Kapton/Al薄膜进行了微小碎片与原子氧综合作用的试验研究。结果表明:微小碎片与原子氧作用后,薄膜表面损伤严重,质量损失明显;综合作用和单独碎片撞击造成材料太阳吸收比的退化程度一致;综合作用造成ITO/Kapton/Al表面In、Sn含量降低,C含量低于单独碎片作用样品。     

探测微小空间碎片的MOS电容传感器设计研究

获得在轨微小碎片环境数据,是建立、检验和完善微小碎片环境模型不可缺少的手段。国内空间碎片研究工作的深入开展,须要研制适合搭载到航天器上的微小碎片探测器,以完成轨道空间的微小碎片的质量、尺寸、速度及飞行方向等参数的测量。微小碎片撞击到金属-氧化物-半导体(MOS)电容传感器,会导致传感器放电和充电,通过检测充电过程的电脉冲信号,记录微小空间碎片撞击事件,从而获得微小空间碎片通量。文章就探测微小碎片的MOS电容传感器设计及其地面高速粒子撞击模拟试验进行了研究,并验证其探测微小空间碎片的可行性。     

CAST激光驱动微小飞片及其超高速撞击效应研究进展

激光驱动飞片技术(LDFT)在模拟微米级空间碎片对航天器的超高速撞击效应方面具有独特的优势。文章全面介绍了北京卫星环境工程研究所在激光驱动飞片技术与微米级空间碎片超高速撞击效应地面模拟研究中取得的若干进展,包括激光驱动飞片的理论计算、超高速飞片的稳定发射技术、超高速飞片速度瞬态测量技术、航天器外露表面的超高速撞击特性、超高速撞击累积损伤评价方法,以及微米级空间碎片超高速撞击防护技术探索等研究。同时,展望了激光驱动飞片技术以及微米级空间碎片累积撞击实验研究的发展方向。     

空间粉尘高速撞击对光学玻璃透过率影响的研究

航天器在轨服役期间会遭受到大量的微陨石及空间微小碎片撞击作用。这些微陨石和空间微小碎片可能吸附在航天器光学玻璃表面,也可能与光学玻璃表面碰撞产生陷坑等缺陷。文章采用爆炸式粉尘加速器加速微米级铝粉末撞击K8光学玻璃,在玻璃表面产生大量碰撞陷坑形成砂蚀磨损现象,利用CΦ-46型分光计测量光学玻璃的透过率。结果表明,光学玻璃磨损区域的透过率明显下降。透过率下降程度与陷坑数量成比例。通过对单个陷坑的计算,当陷坑深度大于或等于一个粒子直径时,光线衰减程度达到最大。     

利用等离子体加速器发射超高速 微小空间碎片的研究

文章介绍了国内外微小空间碎片超高速撞击地面模拟实验研究的现状,描述了国内等离子体微小空间碎片加速器的研制进展和初步实验结果,分析了该加速器在空间碎片防护研究工作中的应用。在初步调试阶段,在系统设计满负荷储能6%和35%的条件下,分别将100 ?m和200 ?m的玻璃微粒加速至5.5 km/s和9.3 km/s。利用该加速器可以模拟研究10～1 000 ?m的微小空间碎片对卫星功能材料的撞击损伤特性,可以加速模拟研究卫星关键部件或分系统在大量微小空间碎片撞击下的失效机理和失效模式,为卫星防护微小空间碎片的设计提供技术支持。该加速器还能为国内发展星载空间微小碎片探测仪器的设计和标定提供模拟实验条件。     

空间微小碎片对光学玻璃的污染效应研究

航天器在轨服役期间会遭受到大量空间微小碎片撞击作用。这些微陨石和空间微小碎片可能在光学玻璃表面碰撞产生陷坑,也可能吸附在航天器光学玻璃表面造成污染。文章介绍了采用静电式粉尘加速器使微米级铝粉末低速撞击K8光学玻璃,在玻璃表面吸附大量的粉尘粒子。研究结果表明,被铝粒子污染的光学玻璃透过率明显下降。透过率下降与污染程度成比例。对光学玻璃表面单个粒子陷坑计算分析表明,粒子吸附在玻璃表面时,比粒子陷入一定深度造成的光线衰减更大。     

激光驱动微小碎片对石英玻璃撞击损伤效应试验研究

空间碎片撞击对航天器表面材料性能具有很重要的影响。文章从碎片对材料撞击作用角度出发,使用激光驱动飞片技术对光学玻璃进行了撞击试验研究。为了便于对撞击损伤机理的研究和效应评价,开展了单次撞击试验和多次撞击试验,并对这些试验进行了测试分析。试验表明:高速飞片与撞击靶损伤处有很好的对应关系,且高速飞片撞击对石英玻璃表面造成了损伤结构,进而导致光透过率下降。     

微小碎片对航天器舷窗玻璃损伤状况的跟踪研究

空间微小碎片环境比较复杂,其来源包括人为产生的碎片及微流星体。空间微小碎片不仅速度较高,而且数量庞大。它们频繁撞击航天器外表面,包括舷窗部位,特别是对航天飞机舷窗已造成巨大危害,使长期服役的国际空间站舷窗玻璃存在安全隐患。文章简要介绍了空间微小碎片对航天飞机和空间站舷窗玻璃的损伤状况,以及NASA对此做出的改进措施,这些跟踪研究成果可为我国长寿命、高可靠航天器舷窗结构设计提供参考依据。     

阴影遮挡对太阳电池阵发电能力影响的仿真分析

航天器太阳电池阵的在轨发电能力会由于舱体等对太阳光的遮挡而受到影响。文章通过建立太阳电池电路模型,利用Saber仿真平台进行仿真,得到太阳电池单串电路遮挡片数与功率输出的关系曲线,利用MatLab进行了基于每个单串电池电路的遮挡计算,最终计算得到自主飞行阶段的阴影遮挡造成的太阳电池阵功率损失率。比较新计算方法与传统计算方法的计算结果表明,新方法的计算精度更高,尤其是在被遮挡的电池片数量较少时,新方法的优势更加突出。     

月尘累积对太阳电池阵电帘除尘效率影响的实验研究

月尘在月球探测器太阳电池阵表面的累积将会导致其输出功率下降甚至功能失效。近年来,电帘除尘方法被认为是月尘清除防护的有效手段。文章实验研究了月尘累积对三结砷化镓太阳电池性能影响,拟合得到了月尘累积质量与太阳电池相对输出功率的数学模型;利用电帘除尘装置,研究了不同月尘累积质量下电帘的除尘效率。研究结果表明,6 mg/cm2月尘累积质量是太阳电池阵电帘除尘装置启动的最佳工作条件。该研究成果可为开发具有自适应除尘能力的太阳电池阵提供技术支持。     

空间太阳能发电站拓扑架构及能量管理控制策略

针对超大功率空间太阳能电站(SSPS),提出了一种分布式+集中式系统拓扑架构,将系统电力传输分为太阳电池阵区、主结构电力传输区及发射天线阵区三大部分。根据系统三大阵区的能量流动关系,本文将SSPS系统的工作模式划分为最大功率点跟踪(MPPT)工作模式、跟踪功率指令工作模式及阴影区工作模式,并提出分层能源管理控制策略。最后,针对兆瓦级太阳电池阵的不同工作模式,利用Matlab/Simulink搭建空间太阳能电站系统仿真模型,进行仿真试验及对比分析,试验结果验证了拓扑架构的合理性及控制策略的有效性,为解决空间太阳能发电技术电力传输与能量管理问题提出了新思路。     

SIMULATION OF A THERMAL SOLAR POWER PLANT OPERATING ON MARS UNDER CLEAR SKY AND DUST STORM CONDITIONS

The power plant analyzed in this work consists of a selective solar collector–thermal engine combination. The paper focuses on solar power plant operation under various weather conditions during all seasons on Mars. Meteorological data measured at Viking Landers (VL) sites were used in computations. Two strategies to collect solar radiation were analyzed: a solar horizontal (H) collector and a solar collector whose tilt and orientation are continuously adjusted to keep the receiving surface perpendicular to Sun rays (P). Both a low and a high efficiency thermal engine were considered. All the computations were performed for a selective solar flat-plate collector similar in size to the Mars Pathfinder's Sojourner. Results show that generally the influence of latitude on performance is important. In some situations, the meteorological effects compensate the latitudinal effects and the output power is quite similar at both VL1 and VL2 sites. In case a low-efficiency engine is coupled to a horizontal collector, the solar efficiency does not exceed 0.13 at VL2 site. It is lower during summer and higher during winter dust storms. In case the low-efficiency engine is coupled to a P collector, the solar efficiency increases during summer. The solar efficiency is as high as 0.18 in case of a horizontal collector attached to a high-efficiency engine. If the high-efficiency thermal engine is connected to a P collector the solar efficiency increases significantly during summer and spring but does not exceed 0.18. The power provided by a system consisting of a horizontal collector and a low-efficiency engine does not exceed 7 W. Using a high engine coupled to a horizontal collector leads to a power output up to 13 W during spring, autumn and winter. The P collector is recommended mainly during summer and spring in combination with high-efficiency engines. In this case the solar efficiency could be as high as 25 W. The performance of PV cell power systems and properly designed dynamic solar power plants operating on Mars is comparable.     

LEO太阳电池一次放电模型研究

空间等离子体作用下,太阳电池一次放电是诱发二次放电的主要原因。目前缺乏适合工程应用的一次放电快速评估模型。文章借鉴辉光放电理论,针对太阳电池三联点结构提出一次放电一维简化模型,用于评估太阳电池设计对放电脉冲强弱的影响。模型计算结果表明,增加玻璃盖片厚度和电池串联间隙有助于提高一次放电起始电压,一次放电频率随着太阳电池偏压和表面二次电子发射系数增加而增大,放电电流随着太阳电池偏压和电池阵电容增加而增强。该模型计算结果与试验测试结果基本一致,且比其他模型计算过程简单,可以为太阳电池设计中一次放电现象快速评估提供参考。     

飞船电源系统太阳电池银焊点的热应力分析

太阳电池阵是航天器电源系统的重要结构部件。文章以某飞船的太阳电池板为研究对象,根据其在热真空可靠性试验中的温度条件,对太阳电池与互连片连接处的银焊点部位进行了热应力和热变形仿真计算,并与试验现象进行了对比分析,证实了交替变化的高低温会导致银焊点的虚接触,从而使太阳电池阵不能正常工作。该研究成果可为航天器太阳电池银焊点的连接设计和焊点的检验提供参考。     

小卫星太阳电池阵结构声振响应分析研究

针对高频段太阳电池阵结构声振问题求解中的结构模态参数不确定性,文章从统计模态和能量平衡的角度出发,深入研究了复合材料面板太阳电池阵夹层结构的统计能量分析参数确定及功率流模型创建方法,并快速得到了太阳电池夹层结构的声振响应。对比分析与试验结果,发现二者吻合很好,因而验证了该声振响应分析方法用于小卫星太阳电池阵结构的有效性,并可作为小卫星工程研制中太阳电池阵结构动力学分析的有益补充。     

基于线聚焦菲涅耳透镜的空间聚光光伏系统特性的实验研究

对线聚焦菲涅耳透镜的空间聚光光伏系统的特性开展了实验研究,以期解决工程设计时多参数合理匹配和选择的问题。通过研制由菲涅耳透镜—单晶硅太阳电池光伏组件、太阳模拟器和测试设备组成的实验装置,开展了菲涅耳透镜失焦距离、聚光比和太阳电池短路电流、开路电压、最佳功率、填充因子、效率、温度等之间的关系以及不同失焦距离和不同太阳光线横向偏角对聚焦宽度的影响的实验测试和实验分析工作。研究结果表明：聚光太阳电池性能随短路电流和最佳功率的提高而提高,短路电流和最佳功率分别随聚光比的增加而近似呈线性增大,开路电压基本不随聚光比变化;失焦距离变化引起透镜聚焦宽度变化,进而影响电池表面辐射强度和有效聚光比,应控制失焦距离在可允许范围内;太阳电池串联电阻对聚光太阳电池工作性能存在不利影响,需尽可能选择低串联内阻、高填充因子的太阳电池;应保证聚光太阳电池具有良好的散热条件;太阳光线横向偏角会导致聚焦宽度变大、聚光比减小,并使聚焦光线偏离太阳电池,应控制横向偏角在规定范围内。研究结果为线聚焦菲涅耳透镜空间聚光光伏系统工程设计提供了技术支持。     

模块化多旋转关节空间太阳能电站方案设计

文章基于多旋转关节空间太阳能电站（MR-SPS）方案，以降低远距离高压电力传输技术难度为核心，提出一种更新的模块化多旋转关节空间太阳能电站概念。该方案在分布式太阳电池分阵和多导电旋转关节基础上，对于微波发射天线阵也进行了模块化设计和分布式布局，实现了太阳电池分阵和微波发射天线分阵的一一对应，形成多个独立的太阳能发电与能量传输模块，通过模块的扩展实现整个空间太阳能电站。该方案大幅简化了空间电力传输与管理的复杂性和在轨组装的难度。同时各个模块完全独立，组装后即可单独工作，也提高了系统的可靠性。     

Design and integration of small RTPV generators with new millennium spacecraft for outer solar system

The National Aeronautics and Space Administration’s recently inaugurated New Millennium program, with its emphasis on miniaturized spacecraft, has generated interest in a low-power (10–30 W), low-mass, high-efficiency RTPV (Radioisotope Thermophotovoltaic) power system. This led to a Department of Energy (DOE)-sponsored design study of such a system, which was assigned to OSC (formerly Fairchild) personnel, who have been conducting similar studies of a 75 W RTPV system for the Pluto Express Mission, with very encouraging results. The 75 W design employed two 250 W general purpose heat source (GPHS) modules that DOE had previously developed and safety-qualified for various space missions. These modules were too large for the small RTPVs described in this paper. To minimize the need for new development and safety verification studies, OSC generated derivative designs for 125 W and 62.5 W heat source modules containing identical fuel pellets, clads, impact shell and thermal insulation. OSC also generated a novel heat source support scheme to reduce the heat losses through the structural supports, and a new and much simpler radiator structure, eliminating the need for honeycombs and heat pipes.OSCs previous RTPV study had been based on the use of GaSb PV cells and spectrally selective IR filters that had been partially developed and characterized by Boeing (now EDTEK) personnel. They had supplied us with spectral data on filter reflectivities and cell quantum efficiencies. Two sets of data were furnished: one based on actual measurements made in 1993, and a more optimistic set based on projected performance improvements. Even the measured data set yielded significantly better system performance than present thermoelectric systems, but the projected data yielded much better system performance. Because of these encouraging results, OSC in the fall of 1994 initiated an experimental program at EDTEK to develop improved filters and cells, to demonstrate how much improvement can actually be achieved. OSC requested that first priority be given to filter improvements, because our system studies indicated that improved filters would have a much greater effect on system performance than cell improvements. By July 1995 EDTEK had achieved about 90% of the filter performance improvement projected in 1993. Work on further filter and cell improvements is continuing at EDTEK, as part of a joint effort with OSC and with DOE’s Mound Laboratory to develop and test a prototypic RTPV generator, with both an electrical heater and a radioisotope heat source.The improved filter performance data have been applied to the design of low-power (10–30 W) RTPV power systems, for possible application to new millennium spacecraft for missions to the outer solar system, where solar power generation is impractical. The results reported in this paper indicate that such systems can yield very attractive performance with the RTPV generator integrated with the miniaturized new millennium spacecraft.