卫星太阳电池阵受空间环境的影响及防护

与飞 行器表面碰撞时产生的能量可达 ４ ． ５一５Ｖ ｅ 。这足以使许多表面材料发生化学反应，使其星 现 明显的剥蚀及其它性能的退化，进而影响 坛 行器的使用寿命 Ａ Ｏ与其成分的相对丰度在 ３０ ７０ｍ 范围内最高。航天器在轨运行期间，电 ５－ ０Ｋ － 源系统的太阳 电池阵直接暴露在原子氧环境之 下 ，太阳阵表面材料对 Ａ Ｏ的敏感度会直接影响到太阳阵的性能。
辐射能力。
２ ． ２原子氧 （ Ｏ）对太阳电池阵的影响 Ａ 卫星运行的近地轨道环境 （Ｅ ）中，大气的主要成分氧分子受到波长范围在 １０ ０ ｍ 的 ＬＯ ０ － ２０
太阳 紫外线辐射分解而形成原子氧 （ ｔ ｉ Ｏ ｙｅ， ） Ａｏ ｃ ｇｎ Ａ ，对于 Ｌ Ｏ中 吃 ｍ ｘ Ｏ 在 Ｅ 行的长 寿命航天器， 与Ａ Ｏ接触的 概率是很高的。因为 在该环境中 存在相当 量的 ｑ， 促进了Ａ Ｏ的产生。 Ａ 而 Ｏ与其周 围相邻的原子和分子相互作用的可能很小‘在 Ｌ Ｏ 中，气体分子的平均热运动速度很低， Ｅ 碰撞产 生的能量也是很低的。而在 Ｌ Ｏ 中 飞 Ｅ 行的航天器具有很高的运行速度 （ 通常为 ８ｍｓ ｋ ／ ，尽管 Ａ ） Ｏ 在大气成分的体 密度宁 氏 仍可在航天器表面 刻 ， 产生 １１．１１ ａ ｍ ｍ ｓ 通量密度。 Ｏ ０３ ０５ ／ 。 Ａ ｔ ｃ２ ｏ Ｏ的 Ａ
２空间环境对太阳电 池阵的影响
在卫 星电源系统太阳电 池阵的设计中，空间 环境、飞行 轨道、 布片面积、太阳入射角、 温度等 都是决定太阳阵最终功率输出的因 素。 在设计中， 要综合考虑这些条件。 另外，不同 类型的卫星针 对自 特点， 身的 还会有一些特殊的 技术要求， 技术的 在新 研制过程中， 对空间环境的适应性是 极为 重要的一个部分。 太阳电 池阵受空间环境的影响主要有以下几个方 面： ２ 空间粒子辐射对太阳电池阵的影响 ． １ 不论是低地球轨道还是高轨道 （ 如同步轨道）的卫星，对于直接暴露在外层空间的太阳电 池阵 来说，空间带电粒子的辐射都是存在的。只是根据轨道高度、轨道倾角和在轨寿命的长短不同，累 积通量有大有小，太阳电 池阵的输出功率呈现不同 程度的衰降。 造成这种衰降主要是由 于电子 和质 子的 辐射引 起的。在低轨道中，地磁俘获电 子和质子的 可能都很多，在高轨道中，当太阳活动峰年 时期， 太阳耀斑质子的影响将会加大太阳阵功率的 衰降， 是不可忽略的一点。 为了保证太阳阵在寿命末期有足够的物出功率， 对带电 粒子辐射引起的电性能衰降必须做一个 较为 准确的预计，同时采取相应的 抗辐射加固 措施， 尽量减少辐射带来的太阳阵功率Ｔ膜
玻璃盖片
图１ Ｏ膜盖片结构 Ｉ Ｔ 示意图 由于 ＩＯ 膜和两个焊接电极的遮挡会引起光透射率的损失和有效光照面积的减少 因此会使 Ｔ 太阳电 池的短路电流略有 Ｆ 降。这一点在 太阳阵设计中必须充分考虑到。此外，高 ｒ 低｛交变和 ｔ 湿度 对 ＩＯ 膜都会有一定的影响，所以要求 Ｉ 膜镀层和焊接电极必须具有良 Ｔ Ｔ Ｏ 好牢Ｉ度，才能 ｔ ］ 适合于 空问环境条件 卜 的使用要求。 这在Ｉ Ｔ Ｏ膜的生产中，是一个非常关键的技术， 它决定了整个太 阳电
件。
太阶电 池阵直接暴露在空间带电 粒子环境中，空间等离子体作用于卫星太阳电池阵表面，当 太 阳阵处于 光照区时，星体被带电 非 粒子充电， 存在一个较高的负电位。当处于光照区时，玻璃盖片 表面由于光照产生的光生发 射电子，等离子体中电 子的 撞击产生的二次发射电子， 这些发射的电 子 的数量远大于盖片表面俘获电 子的数量， 使玻璃盖片与互连器之间以 及玻璃盖片和基板之间存在着 较高的电位差。当电位差足够大超过阐值电压时，就会发生静电 放电现象，如果连续放电， 会导 致 局部范围内 基板的温度上升，使聚酞亚 胺膜发生热解反应， 绝缘性能下降，严重时 太阳电 池阵将永 久性短路，不能再为卫星提供电源ｏ 防止太阳电池阵表面静电充／ 放电的发生，就要降低太阳阵表面的电位差。可以通过在太阳电 池边缘填胶、减小相邻电池串之间的电 位差或减小每个电路的电 流的方法来降低放电的可能性或阻
受到破坏，影响其导电作用。 不同材料抗原子氧的防护措施多种多样。对 Ａ Ｏ敏感的金属 （ 如银）在其表面沉积防护层可起
到抗氧化的作用。 这一技术己应用于“ 神舟”号载人 飞 船的太阳电 池阵。 神舟” “ 号载人飞船属近 地轨道运行航犬器，处于Ａ Ｏ丰度较高范围。在 太阳电池银互连器的表层真空蒸镀一层金， 有效地 防止了Ａ Ｏ对银层的 氧化作用。对于 ａｏ． ｌ 等类型材料的防护则可选用Ａ 保护层、Ｔ 象ｋ ｔ Ｋｖ ｒ ｐ ｎ ｅａ Ｉ Ｉ Ｏ 保护涂层和Ｓ ｘ ｉ 无机涂层。 ｏ 在对ｋ ｔ 材料的试 ａｏ ｐｎ 验研究中 现一些保护涂层在与Ａ 还发 Ｏ作用时 形 成了 新的保护层，减小了ｋ ｔ 材料的 ａｏ ｐｎ 损失。 ２ ． ３地磁亚暴 对太阳电 池阵的影响 较小的 太阳活动引 起高能电子的故 射使 地磁场和 等离子层 （ 由电子和离子组成） 的均衡状态受 到干扰，高能电子流可能会撞到卫星上， 这种现象称为 地磁亚暴。它会使卫星表面充电， 相对于周 围的 等离子体 存在很大的负电位， 高达 加 千伏的电压差。当卫星出影时。受光照的介质和导电 表 面放射出的 光生电子就会使卫星表面发生放电：而末 受光照的 表面上仍保持充电 状态。那么光照与 阴影界面处就能够存在较高电压差，因此而引起的电弧放电 将会产生无线电干扰，并损坏材料和元
！ 卜 连续放电，使聚酞亚胺膜不发生热解反应，也就不会出现绝缘性能 卜 降的问题。但太阳阵表面沉 积的电荷仍然存在，只有将这些电荷从某一个通道泄放掉，使太阳阵表面等电位，才能从本质上防 ！ 卜 静电充／ 放电的发生。 在太阳电池玻璃盖片上蒸镀一层 Ｉ Ｔ Ｏ透明导电膜，并 将每片盖片上的导电膜有效地连接组成 网络，与卫星的 “ 结构地” 相连，这就在太阳阵表面形成了一个电荷的通路，可有效地将沉积到盖 片表面的电荷通过互连网络泄放掉，使得太［电池阵表面电位差只有儿伏，接近于等电位 Ｐ Ｉ Ｉ Ｉ Ｉ Ｔ Ｏ透明导电膜是一种半 导体材料，它蒸镀在玻漓盖片表面最外层，为了实现整个太阳阵的导 电膜互连成网， 在盖片相对的边缘上还要蒸镀两个三角形的焊接电极， Ｔ ＩＯ膜与焊接电极连接导 通 （ １ ） 如图 所示 当单体太阳电池组成太阳电池阵 后，每片玻璃盖片上的ＩＯ膜通过焊接电极 Ｔ 用银箔互 联器以串 联的方式实现电互联接，并在太阳阵的两端汇流，最终由引出线与 “ 卫星地”相连。
退化．
例如在太阳阵重量允许的 情况下，选用较厚的太阳电 池玻璃盖片，以 尽量降低辐射对电 伤 池的 害。为了防止低能质子从电池的侧面进入太阳电 池的 活性区， 采用外形尺寸略大的玻璃盖片 进行保 护， 两侧裸露的间隙用胶粘剂填缝覆盖。 此外， 减薄单体太阳电 池的厚度，也可提高电 池本身的 抗
空间暴露试 验确认了 航天器上所用的 材科在 Ａ Ｏ环境中发生了复杂的化学反应。许多金属材料 （ 其 中银尤为的突出，可达其它金属材料变化星的 ８倍以上）表面生成） 的氧化物层。对于 剿５ 空间 ｛ ＿ 程 中应用较多的一 类聚酞亚胺 （ｏ ｉｉ ） Ｐｌｍｄ 聚合物材 （ ｋ ｔ ） ｙ ｅ 料 如 ａ ｏ ，发生了 ｐｎ 质量损失、 热光学性能 和机械性能的变化 表面呈凹凸不 平状， 剥蚀深度达１． ｍ ２ ｐ ，剥蚀量约为２ ｘ － ｃ＇ ｍ 。 ７ ． １ ２ ｍ ／ ５ ０ ４ ａ ｔ ｏ 而对于 Ｋ ｖ ｒ ｅｌ 增强复合材料，Ｓ Ｍ 照片中显示暴露部分外层的环氧全部被剥蚀掉，Ｋ ｖ ｒ ａ Ｅ ｅｌ 纤维只 ａ 剩一小部分 碳纤维复合材料也同 样受到 Ａ Ｏ的作用，暴露后的纤维多成片断状，且有针形灰状物 质出现。 纤维的 拉伸强度和弹性模量值有显著的 减少。 用于 池及组件之间的电 太阳电 连接的 银互连器。 属于 Ａ 对 Ｏ敏感的金属，暴露在 Ａ Ｏ环境 卜 的 银与 Ａ Ｏ相互作用生成银的氧化物， 氧化银的晶格空间要比块状银大 ５％，氧化的银层表面疏松， ５ 会粉末式地脱落，露出的新鲜银表面则又被 Ａ Ｏ腐蚀，这样周而复始，银互连器的结构完整性就会
关键词
１前言
粒子辐射、原子氧 （ Ｏ） 地磁亚暴、 Ｔ Ａ 、 ＩＯ导电 膜、静电 放电
近些年来，我国的航天事业在科技人员的不断努力 Ｆ 得到了 很大的发展， 先后发射成功的 卫星 在通讯、 气象、军事领域以及科学试验等方面发挥着重大作用。 这些卫星中，根据需求的 不同 有几 千瓦的大卫星， 也有几百瓦的小卫星，它们在各自 的轨道空间中运行， 完成飞行任务，有的在轨设 计寿命只有几个月，有的则可达十几年之久。 电 源分系统是整星中非常重要的组成部分，它为卫星提供所需的工作能 源， 其中 太阳电 池阵又 是唯一的能量直接来源。它将太阳 光转换成电能 给星上负载供电，同时 还能为阴影时间工 作的 储能 蓄电 池组充电，由 此可见，太阳电 池阵的设计占 有至关重要的 地位．
卫星太阳电池阵受空间环境的影响及防护
金海雯 孙彦铮 崔新宇 朱辉婷 高剑峰 中国电子科技集团公司 １研究所 第 ８ 摘要：本文论述了在卫星运行的轨道上，电源分系统太阳电池阵受到空间环境的影响，对空间带电 粒子、原子氧和地磁亚暴存在的状况和产生的机理进行了分析，阐明了工作在此种环境 卜 的太阳电 池阵所受到的影响。提出了一些防护措施。其中在太阳电池银互连器表层镀金防原子氧的方法已 经 在 ９１ ２ Ｌ 程太阳电池阵上得到成功的应用： 在太阳阵表面实施 Ｉ Ｔ Ｏ膜技术防静电充 放电， ／ 本文做 了详细的介绍，该项技术应用于 “ 地球探测双星计划’ ， ，使太阳阵表面最大电位差小于１Ｖ １，
池阵表面的导电性能。
Ｉ 膜的导电 Ｔ Ｏ透明导电 性能越好， 太阳阵表面的电位差也 就越小。 换言之， 如果要使太阳阵表 面等电 位， 那么 Ｉ Ｔ Ｏ导电 膜的表面电阻 就要小于 １ Ｓ ０２ ５ ，表面电阻是随着 ＩＯ膜厚度的增加而减小 Ｔ 的，Ｔ Ｉ Ｏ膜导电率的 增加是通过增大Ｉ Ｔ Ｏ膜的厚度来实现的。 但不能为了增加导电率而无限 度地增 加Ｉ Ｔ Ｏ膜的厚度，因为Ｉ Ｔ Ｏ膜厚度增加的同 时会降低太阳电 池玻璃盖片的透射率，只有控制好Ｉ Ｔ Ｏ 膜厚度， 才可以使玻璃盖片保持足够的 光透射率。这样在满足膜层表面电阻的同时 还能有高的 透过 率，把 Ｉ Ｔ Ｏ导电膜对太阳电池阵的短路电流输出损失减到最小。 “ 地球探测双星计划”的两颗小卫星运行于目 前国际上地球空间探测卫星没有覆盖的近地磁层 土要活动区， 探测在太阳活动影响下， 这些区域发生磁层亚暴、 磁暴以及伴随产生的粒子事 件，为 了 保证星上仪器对低能电 子和低能粒子的分布函数的探测精度， 在太阳电池阵表面实施了Ｉ Ｔ Ｏ导电 膜技术， 对卫星表面进行防静电充／ 放电保护，实行等电位控制， 使星表任意两点间的电 位差最人