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。     

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。     

地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究

地球同步轨道(GEO)高压太阳电池阵表面静电放电(ESD)引起二次放电可能导致太阳电池阵永久性短路损坏。文章主要针对GEO高压太阳电池阵充放电效应问题,重点分析了高压太阳电池阵表面ESD和二次放电产生的物理过程,并利用负高压偏置方法开展了GEO高压太阳电池阵表面ESD和二次放电地面模拟试验。试验验证了反转电位梯度电场是导致GEO高压太阳电池阵表面产生ESD的触发因素之一,同时得到了GaAs高压太阳电池阵样品表面产生ESD和二次放电的电压阈值。     

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.     

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。     

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。     

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。     

太阳电池阵在低密度等离子体中的电弧诱发机理

文章从实验和理论两方面研究了两个太阳电池阵样品在氩等离子体中的电弧放电现象和串弧现象.在很宽的等离子体参数范围内,测量了太阳电池阵样品的I-V曲线、电弧和串弧的起始电压以及放电速率.实验结果对于理解电弧放电诱发机理有重要的参考价值.     

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。     

地面实验室模拟空间等离子体环境的初步测试

在地面模拟电离层等离子体与高压太阳电池阵的相互作用时,需要一定密度和能量的等离子体环境,因而希望能在地面试验室中利用微波ERC等离子体源来近似模拟空间等离子体环境。文章对该等离子体源进行了初步测试,利用等离子体诊断系统获得了在大真空容器中的等离子体有关参数的测量数据,通过分析,我们得到了一个比较均匀的等离子体环境。     

等离子体接触器放电特性试验研究

为了研究等离子体接触器的伏安特性,设计试验分别测试了单支和双支等离子体接触器工作时的伏安特性,并给出了等离子体接触器钳位电压、偏置电压以及触持电压随偏置电流的变化规律。试验结果表明:供气流率的提升有利于接触器放电效率的改进;等离子体接触器钳位电压、触持电压与偏置电流之间呈现出不同的规律,前者呈现为正阻特性,后者呈现为负阻特性;两支等离子体接触器同时工作时相互之间存在影响,额定值为5 A时,两支接触器的发射电流分别为8 A和2 A,因此采用双接触器同时工作时,应尽量采用伏安特性接近的阴极以减小差异性。     

太阳电池阵表面充电反向电位梯度的地面模拟

太阳电池阵等部件由于其表面介质的高二次电子发射及光电子发射特性,使得其在轨表面充电典型表现为反向电位梯度（inverted potential gradient, IPG）。为了评估航天器部组件在轨的表面充电风险,需要研究IPG的特点及在地面模拟IPG的方法。文章通过分析地球中高轨道与低轨道空间等离子体环境中表面充电的特点,提出了地面模拟IPG表面充电的方法,并给出典型试验结果。推荐中高轨道利用电子枪或紫外源、低轨道利用冷稠等离子体源模拟表面充电IPG;模拟过程中为了建立IPG,试样基底导电部位需要悬浮且有直流负偏压电源驱动;模拟IPG时需要针对试样尺度进行缩比补偿;文章给出的方法可用于一般太阳电池阵或其他在轨充电会产生IPG的试样开展地面模拟及静电放电防护性能评价试验。     

存在金属磨屑的空间盘式滑环真空电弧放电试验研究

滑环广泛应用于航天器太阳电池阵驱动机构,是航天器系统能源供给和信号传输的关键通道。滑环电弧放电曾引发多起航天器故障,而金属磨屑是造成滑环在轨放电的关键因素。文章设计了磨屑条件下盘式滑环真空电弧放电试验方案,采用真空系统和真实产品分别在60 V和34 V电压下完成了焊点之间、焊点与内环道之间的真空电弧放电试验。通过该试验,验证了磨屑和电压对滑环真空电弧放电的重要影响。试验结果表明,真空电弧放电会造成滑环内部大面积烧蚀,造成焊点之间、焊点与环道间的短路或开路,破坏盘片绝缘性能。根据试验情况,从设计和使用方面提出了预防空间盘式滑环真空电弧放电的改进思路。     

实践四号卫星一次电源系统

介绍了实践四号卫星一次电源系统的基本构成及其主要性能和飞行结果。一次电源系统包括太阳电池阵,镉镍电池组,氢镍电池组、分流调节器、电源控制器等部件。系统采用全调节母线设计,当卫星飞经阳光区时由分流调节器控制母线电压在27.5.～28V,飞经地影区时由升压式放电调节器控制母线电压在25.5～26V,使一次电源母线始终控制在25.5～28V。     

小卫星平台的太阳电池阵设计及应用

分析了基于小卫星平台的太阳电池阵的设计指标要求,阐述了设计原则,并以我国的环境减灾-1A、1B卫星太阳电池阵为例,从模块化、高效化、轻型化、小型化、太阳电池电路布局优化、太阳电池阵空间环境适应性等方面,介绍了基于小卫星平台太阳电池阵的设计方案,还简要介绍了基于小卫星平台太阳电池阵的应用情况。     

高功率太阳阵空间静电环境适应性设计和试验技术

随着卫星用户要求的不断提高,高功率太阳阵的使用越来越多。其中空间环境适应性特别是高功率太阳阵空间静电放电的防护和试验技术成为高功率太阳阵应用的一项关键技术。本文结合高功率太阳阵的特点,阐述了高功率太阳阵的空间静电放电(SESD)防护设计及试验技术。     

FY-2C星电源分系统及其在轨性能

介绍了风云二号(FY-2)C气象卫星电源分系统的组成、技术指标和工作原理,以及太阳电池阵、Cd-Ni蓄电池组和电源控制设备等主要部件的设计和改进.遥测数据分析结果显示,C星太阳电池阵功率裕度优于设计要求,采用BSFR太阳电池对方阵工作温度影响不明显,地影轨道72 min地影蓄电池最大放电深度减小,涓流态第三极电性能信号与A,B星-致.在轨运行结果表明,C星电源分系统各部件状态良好,能满足任务要求.国内首次用于地球静止轨道空间电源工程的BSFR太阳电池方阵性能稳定,蓄电池组容量增大,简化了地影期卫星地面管理,改善卫星地影期环境工作温度;解决了A,B星进出影电源分系统自主转电时全调节母线电压的负冲.     

北京卫星环境工程研究所金秋学术交流掠影(之一)——日本航天器表面带电专家Mengu Cho教授来所讲学

2007年9月10～13日,日本九州技术学院(KIT)航天器环境工程实验室主任、航天器表面带电专家Mengu Cho教授到北京卫星环境工程研究所讲学、交流。Mengu Cho教授1993年于美国获得航天器表面带电专业博士学位,并长期从事航天器的表面带电试验和理论研究,编写了ISO标准"卫星太阳帆板空间带电引起的静电放电试验",在卫星高压太阳电池阵表面充放电效应评估、验证技术方面有深厚理论基础和丰富经验。     

木星极光等离子体环境表面充电三维仿真分析

木星为太阳系内少有的强磁场行星,其等离子体环境十分恶劣,可对木星探测器造成严重的表面充电效应。文章采用有限元方法,借助COMSOL仿真软件,对航天器表面充电现象进行三维仿真,结合NASCAP-2k以及SPIS软件对比验证了GEO表面充电效应的模拟结果,证明了该仿真方法的有效性。对航天器在木星极光等离子体环境下的表面充电现象仿真分析结果表明,在木星背景等离子体环境中15RJ处,航天器表面充电电位较低,仅为平均-80 V左右;而在木星极光等离子体中,航天器表面充电电位最高可以达到-36.7 k V,CERS等材料表面充电电位差最大可以达到-16 k V,具有较高的放电风险。