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。     

高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性研究

研究高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性,有助于深入了解太阳电池阵充放电形成机制。在试验中,利用电子枪模拟GEO空间带电环境,辐照太阳电池样品表面。利用电流探头CT-2、单极子天线和数字存储示波器测量静电放电所产生的脉冲电流、辐射电场并记录其波形。试验结果表明:太阳电池在静电放电过程中产生了脉冲宽度为几μs的瞬态电流,其峰值幅度为几A;辐射电场的脉冲信号持续时间几百ns至几个μs,其峰值幅度达数百V/m。脉冲信号的时域特征表现为脉冲群,其波形具有陡峭的前沿,能量分布的频率范围主要集中在0.1~50 MHz之间。最后根据上述研究对在轨静电放电测试仪的设计提出建议。     

低地球轨道等离子体环境引起的高压太阳电池阵电弧放电现象的研究

把高压太阳电池阵放入低地球轨道中就会发生电弧放电,会造成航天器表面退化、电磁干扰、PN结破坏和其它负作用.文章先介绍了电弧放电的理论观点,包括Park和Hastings的假说以及Cho和Hastings的理论扩展,对放电起因、过程及研究现状进行了分析.然后给出几个典型的飞行实验及地面模拟实验的结果,证实了高压太阳电池阵在等离子体环境中电弧的产生,并发现偏置电压与高压太阳电池阵的放电率之间有密切的关系.文章最后介绍了在实验室研究过的6种减缓电弧放电的方法,并对其优缺点进行简单讨论.     

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。     

LEO等离子体环境中HVSA的电弧放电研究

把高压太阳电池阵放入低地球轨道中就会发生电弧放电,造成航天器表面退化、电磁干扰、PN结破坏和其它负作用.文章在阐述电弧放电机理的基础上,介绍了在试验室模拟等离子体环境中进行的两次放电试验.其中一个试验使用的是太阳电池阵物理等效模拟试件,另一个则是真实的太阳电池阵样品.试验得出了两种样品在等离子体环境中的放电位置、放电阈值电压,并发现环境与太阳电池电压及放电率等相关参数的关系.比较两个试验可以看出,在相似的环境下,模拟试件的放电阈值比较大.文章最后对试验现象的发生原因进行了初步的分析.研究LEO等离子体环境与HVSA之间的相互作用,并采取相应的防护措施,是大型空间活动必须解决的关键技术之一.     

低轨道高压太阳电池阵充放电效应试验

针对我国空间站采用的高压太阳电池,开展低轨道等离子体环境下高压太阳阵样品充放电效应试验,在实验室复现了高压太阳电池阵静电放电和二次放电现象。结果表明,高压太阳电池偏置电压为-70 V时开始出现静电放电,且静电放电次数随着偏置电压的减小而增大,并在高密度的等离子体环境下更容易发生静电放电。当偏置电压为-100 V,串间电压为80 V时观测到了二次放电。     

GEO卫星表面充放电引起卫星地电位瞬变及对二次电源干扰试验研究

GEO卫星带电环境和表面绝缘材料相互作用引起卫星表面充放电现象,导致卫星“地”电位的缓慢变化和瞬态变化,其中瞬态变化会造成电子系统特别是数字电路工作异常。文章介绍实验室相关模拟试验研究情况,包括试验原理、试验系统组成、试验参数、结果分析以及“地”电位瞬态变化对星上二次电源输出的影响,讨论了空间ESD干扰防护方法。     

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。     

GEO卫星网状天线遮挡对太阳电池阵输出功率影响的分析及对策

大型网状天线已经在地球同步轨道(GEO)卫星中得到广泛应用,天线在轨展开后不可避免地会对太阳电池阵产生遮挡。文章分析了大型网状天线对太阳电池阵的遮挡,综合考虑遮挡对太阳电池电路特性、太阳电池阵有效面积和温度的影响,并进行了遮挡损失模拟试验。针对影响分析结果,提出了合理的应对策略,如太阳电池阵被遮挡后功率不足时由蓄电池组参与联合供电,可为电源系统功率设计提供参考。     

太阳电池片间隙区域充电电场的数值计算

高压太阳电池阵在空间带电粒子环境中易发生静电放电,特别是太阳电池片间隙区域存在着诱发二次放电的风险。文章建立了太阳电池片间隙区域充电模型,基于静电理论研究了计算太阳电池片间隙区域充电电场的算法。数值计算结果表明:太阳电池片间隙区域两侧,充电电场呈对称分布;玻璃盖片与基底之间存在明显的电位差,且玻璃盖片的电位高于其他部位。     

空间太阳电池阵的发展现状及趋势

从四方面分析了空间太阳电池阵的发展现状,包括体装式、带桨展开式、单板展开式、多板展开式、柔性多模块多维展开式等总体构型的发展历程,常用太阳电池片如硅电池片、砷化镓电池片、柔性薄膜电池片的材料与性能的发展现状,刚性基板结构、半刚性基板结构、柔性基板结构的发展与应用及五种展开机构的特点与空间应用分析,论述了空间太阳电池阵发展的制约因素,指出了聚光型柔性太阳电池阵是未来空间太阳电池阵发展的趋势,旨在促进空间太阳电池阵向着大尺寸、大功率、模块化、低成本和轻质量的方向发展,以适应大功率航天器的发展需求。     

第十届航天器带电技术会议（10th SCTC） 论文综述

第十届航天器带电技术会议于2007年6月18日至21日在在法国南部比亚里兹市举行。会议由法国国家空间研究中心（CNES）、法国国家航空航天研究局（ONERA）和欧洲航天局（ESA）共同举办。会议论文共涉及9个专题:飞行试验研究;模型和计算机仿真;太阳帆板和放电现象;太阳电池阵试验;与带电环境相互作用;电推进;等离子体相互作用;内带电;材料特性。文章对此次会议的论文进行了综述和评论,并对我国在相关领域的研究提出了建议。     

卫星总装过程静电防护研究

静电防护是卫星总装过程中质量控制和安全保障的一个重要方面.为了提高航天器总装过程的静电控制水平,文章以某型号卫星为例,针对卫星总装实施特点,对卫星的总装过程进行了静电防护的相关试验和分析研究.首先使用FMEA分析表格,提出静电防护的关键项目,再利用静电检测手段,对这些关键项目进行静电测试.根据测试结果数据分析,查找出卫星总装过程中静电防护的薄弱环节,并针对性地提出相应的静电控制措施.这些研究成果为航天器总装静电控制的具体实施提供了技术支持,是对航天器总装过程静电防护深入研究的有益探索.     

太阳电池阵寄生电容影响分析与对策

给出了目前常用太阳电池阵寄生电容的典型值;分析了太阳电池阵寄生电容瞬间放电所产生较大峰值电流对电源控制器分流电路的过流影响,以及使分流调节电路出现两级同时调整的过调制状态所造成的响应滞后影响,并分别提出了峰值抑制电路和相位超前电路设计作为解决措施。仿真结果表明：峰值抑制电路设计能将寄生电容的放电电流抑制在分流管设计范围内,相位超前电路设计可有效解决电路延迟和寄生电容充电延迟造成的两级分流电路同时处于调整状态的过调制问题。     

低地球轨道航天器对接放电研究

文章介绍了低轨道航天器对接放电的产生机理,通过模拟试验、电路仿真和理论分析,研究了低轨道航天器对接产生静电放电的可能性、条件、放电强度、持续时间及其影响,并提出防止静电放电危害的措施,为工程应用提出参考建议。     

创新一号微小卫星电源分系统

介绍了我国第一颗微小卫星创新一号(CX-1)电源分系统的性能、组成、工作原理,以及太阳电池阵、镉镍电池组和电源控制器等的设计和相应参数。分析了设计中采用的三域控制统一母线调节、高效三结砷化镓太阳电池发电和充电V-T曲线智能化控制管理等关键技术。飞行试验结果表明,CX-1卫星电源分系统的性能优良、工作可靠,达到了设计要求。     

航天器表面电荷激发空间静电场规律研究

从带电表面微元出发，通过求解泊松方程，得到带电介质平板表面邻近空间静电势的解析表达式，建立介质表面电位-介电常数模型，求得了带电介质平板表面电位、表面带电量和介质介电常数三者之间的关系式。结合典型的航天器表面介质材料带电案例，对此类圆盘结构介质平板带电问题进行了仿真分析，结果表明，在介质材料表面电位一定的情况下，表面电荷激发的空间静电势值随距离的增大而减小，并且距离介质表面越近，电势的空间变化率越大；在介质材料带电量相等的情况下，介质表面电位随着介质介电常数的增大而减小，并逐渐趋于一个稳定值，所以在一定范围内选择介电常数较大的介质材料可以降低介质的表面电位，减小介质间发生静电放电的几率。