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。     

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。     

基于Fe-FeCl3的变种金属-空气电池性能测试

本研究设计了一种基于Fe-FeCl3体系的变种空气电池,通过开路电压、恒电流放电等测试,比较了其与传统商用Fe-空气电池的放电性能.结果 表明,Fe-FeCl3电池的开路电压更高,放电潜力更大;且在任一恒定放电电流下Fe-FeCl3均拥有更高的放电电压,其放电做功能力显著优于商用Fe-空气电池;该电池的放电效率随放电电...     

基于多尺度的空间锂离子蓄电池单体电-热耦合模型

针对高比能兼顾高功率的锂离子电池,高电极载量、高压实、低电导等特性会显著增加电池大倍率放电的产热和内部温差,传统的热试验方法无法获取电池内部温度分布。将传统热试验与仿真相结合,以能量功率兼顾型空间锂离子蓄电池单体为研究对象,建立了一维电化学与三维热双向耦合模型,获取了电池在绝热环境下不同倍率放电的电压、温度和发热功率变化,仿真结果与实验值吻合度高,分析得到单体电池大倍率放电的本征热安全区间为0～75%放电深度(DOD)。同时,计算发现随着放电倍率的增加,放电结束时电池温度最高区域由电芯内部中心位置逐渐变成正极极柱,最大温差逐渐增大,3 C时达到0.82℃。假设增加底面恒温散热,3 C放电结束的最大温差高达11.18℃。本文建立的模型不仅适用于空间锂离子蓄电池单体的研发,还适用于电池组的热仿真设计。     

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。     

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。     

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.     

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。     

表面微孔阵列结构调控二次电子发射特性研究

固体介质的二次电子发射受到材料成分、元素构成、表面状况等因素影响,其中表面状况对于二次电子发射系数起着至关重要的作用,表面微结构调控入射电子在材料表面的运动状态和碰撞频率,进而影响二次电子发射。基于粒子路径追踪算法,建立了一次电子与材料表面碰撞模型,研究了微孔阵列结构参数对二次电子发射系数的调控机制,分析了微孔阵列单元深度、孔径和面积占比的影响规律。研究发现,通过设置合理的结构单元深度和宽度,可以实现对二次电子发射系数的调节。单元孔径宽度为2mm、深度为5mm、数目为169时,二次电子发射系数降低了57%。研究结论可为脉冲功率、航天领域的沿面放电机理分析和抑制提供理论和数据支撑。     

卫星充放电效应对典型星载电子设备影响的实验研究

充放电效应是导致卫星在轨异常与故障的重要原因.除太阳电池阵二次放电外,充放电效应主要通过放电产生的电磁干扰造成设备异常和故障.文章选用典型的星载光学设备,实验模拟中高轨环境中电子作用在设备上产生的表面与深层充放电效应,获得了表面和深层充放电效应的基本特征,观测到放电导致设备工作异常的实验数据.实验结果不仅支持该典型星载...     

等离子体接触器对空间站充放电的影响

针对采用100V高压电池阵的空间站结构体带电现象,提出采用等离子体接触器进行主动电位控制方案,根据此方案建立包含接触器的空间站充放电等效电路模型,研究等离子体接触器对空间站充放电过程的影响及空间站结构因素对接触器钳位效果的影响,从而了解等离子体接触器与空间站悬浮电位的耦合特性。结果表明,无论空间站处于“快速充电”还是“正常充电”情况,等离子体接触器均能有效将空间站悬浮电位钳制在合理范围内。空间站结构因素中,电池阵暴露导体面积对接触器钳位过程影响较大,结构体暴露导体面积和结构体等效电容的影响可忽略。     

卫星三端口DC-DC变换器技术综述

三端口DC-DC变换器可以同时将太阳电池阵和蓄电池组的功率统一变换到负载端。从外部端口看,电源控制器可以看作一个双输入、单输出的三端口DC-DC变换器,同时实现太阳电池阵调节、蓄电池组充放电控制,并保持负载端电压稳定。文章从三端口DC-DC变换器的拓扑结构、控制方法等方面进行调研,分析不同三端口DC-DC变换器的设计原理和特点,对其关键技术和适用性加以总结,提出电源控制器优化设计建议,可为实现卫星电源系统高功率密度、低成本设计提供参考。     

太阳电池阵的模态分析

人造卫星的刚性太阳电池阵有两种工作状态。构成它的各板块之间的连接机构的非线性性质对其展开时的模态影响很大。本文给出了连接装置的线性化和有限元分析的模型,阐述了用子结构和计及非线性性质的分析方法,给出了其伸展态的前几个模态状况;简述了模态试验的方法并比较了有限元分析和实尺度模态试验结果。 在试验基础上作参数修改和模态重新分析,使固有频率的总相关系数达90％。     

一种新型的充放电及分流一体化空间电源控制技术

为满足卫星轻量化需求,本文对一体化的空间电源调节技术进行了研究。采用一种新型的集蓄电池充放电与并联分流一体化功率拓扑结构和功率调节控制策略,可实现使用单一电路完成太阳阵分流、电池充电控制、电池放电调节三种功能。介绍了新型拓扑的工作模式、功率调节控制策略及其实现方法,通过Pspice软件进行了电路建模与原理仿真,结果证明此方法有效。     

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。