空间原子氧环境对太阳电池阵的影响分析

空间原子氧是危害低地球轨道（LEO）航天器在轨性能的最主要空间环境因素之一,其强氧化性能够对包括太阳电池阵在内的航天器外表面暴露材料和组件造成危害。文章分析了某载人航天器在轨原子氧环境、原子氧对不同结构太阳电池阵所用材料的影响以及对太阳电池阵组件电性能的影响,结果表明原子氧对材料的作用能够引起太阳电池阵基板强度降低、电连接可靠性下降及电缆线护套失效等风险,材料的损伤会导致太阳电池组件电性能的下降。鉴于以上结果,作者建议在今后LEO长寿命航天器太阳电池阵研制中,应对原子氧环境条件进行详细设计;同时开展组件级试验,以对电池阵原子氧防护设计的有效性进行验证。     

原子氧环境及其试验研究

原子氧对低地球轨道(LEO)卫星表面的剥蚀已为众多的飞行试验所证实,它对热控涂层、光学表面的损伤是明显的.随着LEO卫星性能的提高和工作寿命的增长,应把原子氧对材料的剥蚀试验作为LEO卫星表面用材料的筛选试验,推荐原子氧对材料的剥蚀试验条件为 1.0×1020～3.0×1020个/cm2.试验设备应配有紫外,二者协合能更好地模拟轨道上的效应.开展LEO卫星上的搭载飞行试验,确定原子氧环境对材料的影响,逐步建立起原子氧效应数据库,对加速载人航天和空间站技术的发展是必要的.     

一种原位测量轨道原子氧效应的电阻型传感器

为了发展原子氧环境及其效应飞行实验技术,获得在轨飞行实验数据,北京卫星环境工程研究所研制了一种小型、低成本的原子氧环境及其效应探测器。这种探测器的传感器采用对原子氧敏感的导电材料制备电阻膜。电阻膜在飞行试验中遭遇到原子氧剥蚀。在轨道飞行实验中,通过原位监测受原子氧剥蚀传感器电阻值的变化,可以探测原子氧环境通量密度及被试验样品的原子氧剥蚀率。目前,采用电镀法及紫外线光刻和金属刻蚀微加工技术,已经成功制备了原子氧通量密度锇膜电阻传感器。它可以测量原子氧的通量密度和积分通量,在400～500 km的轨道高度工作寿命约为1年。原子氧效应探测器是在石英玻璃基底上淀积银膜,试验材料膜涂覆在银膜上。试验材料膜在轨与原子氧反应而变得越来越薄,当其被完全剥蚀后,暴露出来的银膜迅速被氧化,并且电阻变大。试验材料膜的剥蚀时间可以确定,试验材料的原子氧剥蚀率就可以计算出来。     

LEO卫星太阳电池电路原子氧效应分析及试验研究

分析了原子氧环境对低地球轨道(LEO)卫星太阳电池电路损伤效应,得到目前常用的太阳电池电路材料中银互联材料和聚酰亚胺膜对原子氧环境较为敏感。采用20μm的可伐互联片及50μm的银互联片样品,开展原子氧试验研究。试验结果表明:在原子氧总通量为1.7×1022 atoms/cm2以下时,可以选择银互联片作为连接介质,不会因为原子氧侵蚀对互联片产生危害。当原子氧总通量为2.5×1022 atoms/cm2以上时,可以考虑采用可伐互联片。文章的研究结果可为适用于高原子氧总通量的太阳电池电路互联片设计提供依据。     

空间用长寿命自浮动电连接器原子氧侵蚀效应仿真研究

低地球轨道原子氧与航天器表面材料相互作用,可导致材料因氧化剥蚀而发生性能衰退。文章针对空间机械臂用某型长寿命自浮动电连接器,采用自主编写的计算软件,结合地面模拟试验获得的材料剥蚀率数据,对原子氧侵蚀效应进行仿真分析。仿真结果可直观显示电连接器表面各部分所受原子氧侵蚀的厚度分布。地面试验验证表明,经注量为7.83×1022 cm-2的原子氧辐照后,电连接器室温下绝缘电阻大于1×105 GΩ,满足技术要求。研究结果可为空间站用电连接器的设计和寿命预测提供参考。     

低地球轨道航天器不同攻角原子氧通量密度计算模型

低地球轨道原子氧与航天器表面材料相互作用,可导致材料因氧化剥蚀而发生性能     

LEO航天器高压大功率太阳电池阵静电放电试验与分析

为了避免低地球轨道(LEO)航天器的高压大功率太阳电池阵与等离子体相互作用而发生静电放电(ESD)现象,导致太阳电池阵弧光放电引起太阳电池阵失效,须要确定高压大功率太阳电池阵产生一次放电和二次放电的电压阈值。文章模拟LEO真空等离子环境,采用刚性基板三结砷化镓太阳电池试件,试验研究了LEO条件下发生一次放电和二次放电的电压阈值。试验结果表明:试件发生一次放电的电压阈值为95V;在提高电池串间隙时,发生二次放电的电压阈值由120V提高到145V。分析一次放电和二次放电的产生原因可知:一次放电主要发生在三交结区;二次放电是由电子轰击产生的,2.0mm间隙可以有效提高二次放电电压阈值。此研究结果可为LEO高压大功率太阳电池阵的设计提供参考。     

LEO航天器高压太阳电池阵静电放电试验研究

低地球轨道(LEO)航天器高压太阳电池阵存在与等离子体相互作用发生静电放电(ESD)导致其失效的风险,需要确定产生一次放电和二次放电的电压阈值并采取相应的防护措施。文章模拟LEO等离子体环境,采用刚性基板三结砷化镓太阳电池试验件,试验研究了LEO条件下高压太阳电池阵在无防护与涂胶防护状态下发生一次放电和二次放电的电压阈值。在太阳电池组件同样并联间隙情况下,试验结果表明:无防护试验件发生一次放电的电压阈值为110 V,涂胶防护试验件发生一次放电的电压阈值为120 V;太阳电池电路通0.83 A电流,无防护试验件发生二次放电的电压阈值为150 V,涂胶防护试验件发生二次放电的电压阈值为160 V。因此,在设计高压太阳电池阵时,建议合理控制相邻太阳电池串之间的电压差和并联间隙,以及采用在相邻太阳电池串之间涂敷硅橡胶等措施,以有效控制太阳电池阵静电放电的发生。     

高分三号卫星太阳电池阵设计与验证

通过分析高分三号(GF-3)卫星合成孔径雷达(SAR)载荷多模式的成像任务规划、大型展开式桁架构型设计、高低压双母线电源设计等特点,识别出LEO轨道静电放电对高压太阳电池阵设计的影响,卫星左侧视成像和右侧视成像下大型SAR天线遮挡及卫星8年长寿命期间电缆频繁扭转对传输性能的影响,提出了一种适用于复杂遮挡情况下高低压双母线电源系统的太阳电池阵设计思路,完成了太阳电池阵设计、遮挡仿真分析、静电放电试验、电缆扭转试验和在轨数据分析,验证了太阳电池阵设计的正确性,可以为中国后续大功率SAR卫星太阳电池阵设计提供参考。     

一种空间用抗原子氧复合膜β布的原子氧、温度、紫外辐射效应的试验研究

在原子氧剥蚀效应地面模拟设备中对一种抗原子氧复合材料β布进行了原子氧剥蚀效应试验、试样湿度升高对原子氧效应的影响试验以原子氧与紫外辐射复合效应试验研究，对试验前后β布试样的质量及表面形貌进行了比较，得出了在材料在设备中的反应特点以及温度变化、紫外辐射对材料的原子氧效应的影响规律。另外对这种材料与原子氧的反应机理进行了分析，得出了一些有意义的结论。     

近地轨道大型航天器的环境充电

许多空间实验和电子计算机预测已经揭示，在极光电子环境中大型航天器的充电电位会高达６０００－－７０００Ｖ。对采用大功率太阳阵的航天器而言，其相对于空间等离子体的悬浮电位将因太阳阵工作电压的提高而增加。例如表面材料因遭受离子轰击和电弧放电而老化、剥蚀、由于材料再沉积而使表面污染增加以及航天器电子系统因静电放电而受到严重的干扰和破坏等。因而对载人航天和长寿命空间站而言，解决航天器带电问题不可等闲视之。对     

低地球轨道环境原子氧对航天器表面材料聚酰亚胺作用的数值模拟

在建立数学物理模型的基础上，对氏地球轨道环境和地面实验环境下，有无保护层的聚酰亚胺所受原子氧冲蚀作用进行了进行了成功的数值模拟，获得了具有工程应用价值的数值计算结果，并讨论了数学物理模型中各参数对基蚀曲线形状的影响。从数值模拟结果和美国太空实验结果的比较可以看出，本文数据模拟的结果是正确的。该项工作对航天器的设计具有重要指导意义。     

原子氧、紫外辐照对锦纶材料力学性能影响试验研究

航天器在低地球轨道运行期间,空间环境中的原子氧与紫外辐照均会对非金属材料的力学性能造成影响。文章以锦纶材料为研究对象,探讨锦纶材料2种缝制结构形式在原子氧与紫外辐照协同作用下的力学强度性能变化,试验结果表明:在紫外辐照作用下材料会发生明显的褪色;紫外辐照和原子氧均会降低锦纶材料的断裂强力;原子氧与紫外辐照协同作用对单层锦纶材料的力学性能破坏具有加强效果;紫外辐照对多层锦纶材料的穿透性弱;经向结构缝制试验件的力学性能表现更优。     

玻璃纤维复合材料的原子氧剥蚀效应试验研究

对两种玻璃纤维复合材料开展了原子氧效应的地面模拟试验研究。总结了试验前后试样质量及表面形貌的变化规律，计算得到了材料的剥蚀率。试验结果表明，随着原子氧累积通量的增大，玻璃纤维复合材料的质量和体积损失减慢。经分析认为，在原子氧与复合材料的作用过程中，树脂优先被剥蚀，而将纤维暴露在外，由于玻璃纤维对底层树脂基体的遮挡作用，导致在原子氧效应试验后期，玻璃纤维复合材料的剥蚀速度减缓。     

折叠状航天器太阳电池阵在轨热分析(Ⅰ)——计算模型

将太阳电池板蜂窝芯子、面板和硅电池片中发生的辐射－传导复合传热过程等效为一个无内热源的三维瞬态热传导问题。根据电池板的材料、尺寸及结构形态导出太阳电池板的三维等效导热系数。针对任意两相邻电池板表面间的热辐射交换规律，构造适用于这表面内节点温度的离散方程系数。研究折叠状态太阳电池阵边界节点的热特点时，仔细考虑了地球红外辐照、地球的太阳反照、太阳辐射加热、航天器舱体几何遮挡、深冷环境散热、飞行轨道高度及航天器在太阳－地球系中不同位置等造成的影响。利用本文给出的方程，可以求出展开前在轨折叠状太阳电池阵三瞬态不稳定温度场。     

Changes of properties of the materials of spacecraft solar arrays under the action of atomic oxygen

A procedure is developed for physical and chemical modeling and investigation of the weight, geometrical, and thermo-optical characteristics of polymer paneling materials of solar arrays and of the electric power of solar cells under the prolonged action of supersonic fluxes of atomic oxygen in orbit. The behavior of changes in the material characteristics as a function of the integral fluence of atomic oxygen is found. It is established that the electric power of solar cells is virtually invariable within the errors of measurements under irradiation by atomic oxygen flux with a fluence of no higher than 5 · 10²¹ cm^?2.     

太阳同步轨道卫星太阳电池阵衰减因子研究

卫星太阳电池阵衰减因子主要由粒子辐照、紫外辐照、微流星体碰撞和冷热交变等衰减因子组成;由于空间环境极其复杂,仅用上述几种因子来描述太阳电池衰减规律并不全面。文章利用某太阳同步轨道卫星在轨6年的太阳电池阵输出功率数据,通过对在轨卫星太阳入射角、日地距离因子、太阳电池阵温度进行归一化计算,最终计算出太阳电池阵在卫星寿命过程...     

固态颗粒空间环境下升华过程数值分析

在轨液体的排放将产生毫米级固态颗粒空间碎片,由于其升华耗散过程具有不确定性,若长期留轨将产生危害。文章以水为例,通过数值模拟对冰粒在轨升华过程进行分析。结果表明,冰粒的太阳吸收比是影响其升华的重要因素,采取措施提高颗粒的太阳吸收比和减少单个颗粒的平均质量都可有效加快颗粒的升华耗散。