電磁監(jiān)測衛(wèi)星太陽電池陣表面等電位控制

趙穎，劉松喆，金海雯

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

電磁監(jiān)測衛(wèi)星太陽電池陣表面等電位控制

趙穎，劉松喆，金海雯

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

介紹了低軌道空間等離子體環(huán)境以及處于這種環(huán)境中的航天器太陽電池陣表面的充電特性。論述了電磁監(jiān)測衛(wèi)星用太陽電池陣表面等電位的控制方法，通過在玻璃蓋片表面蒸鍍ITO導(dǎo)電膜，把太陽電池陣表面的電位控制在±2 V之內(nèi)。對電磁監(jiān)測衛(wèi)星太陽電池陣粘貼的ITO膜后的電位進(jìn)行了仿真數(shù)據(jù)分析，充分證明了ITO膜對控制太陽電池陣表面電位的可行性和合理性。

低軌道；太陽電池陣；ITO；等電位

航天器暴露在低軌道空間等離子體環(huán)境中，空間帶電粒子就會在航天器表面介質(zhì)材料上沉積，導(dǎo)致航天器表面產(chǎn)生電位。對于主要任務(wù)是探測空間電磁場、電離層等離子體、高能粒子等空間電磁和電離層信息的航天器來說，等離子體和電磁場的原位探測的必要條件是航天器對空間探測對象的干擾降低到不可觀測的程度，因此，需要對航天器進(jìn)行等電位設(shè)計(jì)，把航天器的電位控制在一定范圍內(nèi)。根據(jù)等離子體分析儀和相關(guān)載荷的探測要求，在通常等離子體條件下，將航天器的電位控制在±2 V之內(nèi)。

本文介紹了低軌道等離子體環(huán)境以及航天器表面充電效應(yīng)，針對空間型號電磁監(jiān)測衛(wèi)星的特點(diǎn)，對太陽電池陣進(jìn)行了等電位設(shè)計(jì)，并利用軌道限制理論進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析計(jì)算，充分證明了ITO膜控制太陽電池陣表面電位的有效性和可行性。

1 低軌等離子體環(huán)境

空間環(huán)境中能量低于幾百電子伏的帶電粒子叫做空間等離子體，它幾乎充滿著整個(gè)日地空間，有著非常復(fù)雜的時(shí)空分布和變化。構(gòu)成空間等離子體的帶電粒子的能量相對宇宙線盒地球輻射帶粒子要低，故有時(shí)又稱空間等離子體為低能粒子。它不僅受空間磁場控制，也受空間電場支配。

電磁監(jiān)測衛(wèi)星軌道高度為500 km，是低軌道衛(wèi)星。低軌道區(qū)域等離子體主要是電離層等離子體，電離層是地球大氣的一個(gè)重要層區(qū)，是低軌道空間環(huán)境的重要組成部分。它是由太陽光能電磁輻射，宇宙線盒沉降粒子作用于高層大氣，使之電離而成的自由電子、離子和中性粒子構(gòu)成的能量很低的準(zhǔn)中性等離子體區(qū)域。低軌道區(qū)域的等離子體中電子和離子的能量很低，密度很高，通常稱為冷稠等離子體。

2 低軌等離子體環(huán)境下航天器表面充電特性

衛(wèi)星的表面整體均勻帶電導(dǎo)致衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地的絕對電位與周圍等離子體電位存在差異，衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地相對于周圍空間等離子體形成一個(gè)電位差。這主要由空間等離子體的熱運(yùn)動(dòng)、衛(wèi)星速度、衛(wèi)星表面接地導(dǎo)體面積、太陽能帆板狀態(tài)、光電子等多種因素決定。

在無光照條件下，衛(wèi)星表面帶一定的負(fù)電位，這是由于等離子體是近似中性的，其中電子的數(shù)量和離子的數(shù)量近似相等，而且能量也比較接近，然而由于電子的質(zhì)量比離子的質(zhì)量要小很多，因而電子的運(yùn)動(dòng)速度大于離子的運(yùn)動(dòng)速度，同樣時(shí)間內(nèi)達(dá)到衛(wèi)星表面的電子數(shù)要遠(yuǎn)大于離子數(shù)，最終是衛(wèi)星表面帶上一定大小的負(fù)電位。圖1給出了無光照條件下衛(wèi)星表面充電過程。

圖1 無光照期衛(wèi)星表面充電過程示意圖

當(dāng)衛(wèi)星處于光照條件下，衛(wèi)星表面在太陽光的照射下會溢出電子，如果衛(wèi)星周圍的等離子體濃度較小，光電子流將起到主要作用，從而衛(wèi)星表面帶上一定的正電位。圖2給出了光照條件下衛(wèi)星表面充電過程。

圖2 光照期衛(wèi)星表面充電過程示意圖

安裝在航天器上的太陽電池帆板直接暴露在空間環(huán)境下，運(yùn)行過程中，受到周圍等離子體、高能帶電粒子的轟擊以及太陽電磁輻射引起的光電子發(fā)射等影響，使太陽電池表面沉積一定數(shù)量的電荷而充電。受光照時(shí)表面帶正電荷，在地球的陰影期或背向太陽時(shí)，表面帶負(fù)電。

電子流動(dòng)時(shí)，到達(dá)太陽電池陣表面的電子電流比離子電流大很多，電池陣的大部分面積和連接的傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)會聚集離子，根據(jù)低軌道空間環(huán)境的特點(diǎn)，受光照時(shí)表面帶正電荷，在地球的陰影期或背向太陽時(shí)，表面帶負(fù)電。電磁監(jiān)測衛(wèi)星運(yùn)行在500 km的太陽同步軌道(SSO)，光電子流密度大約為離子流的千分之一，影響可以忽略不計(jì)，所以需要控制的是太陽電池陣表面的負(fù)電位。圖3是太陽電池陣表面電位示意圖。

試驗(yàn)地選在松陽縣湖溪林場苗圃，圃地位于西北向東南延伸的狹長松古盆地的北端，東北面緊鄰七都大林區(qū)，試驗(yàn)地海拔180 m，水源為七都源水系經(jīng)農(nóng)田水渠流入圃地池塘蓄集后利用。苗圃地屬亞熱帶季風(fēng)氣候，年均氣溫16 ℃，≥10 ℃年積溫6024 ℃，年均無霜期250 d，年均降水量1532 mm，年蒸發(fā)量1294 mm，年相對濕度79%。

圖3 太陽電池陣表面電位

3 太陽電池陣表面的等電位控制

3.1 ITO膜的應(yīng)用情況

當(dāng)太陽電池陣表面被充電而帶上負(fù)電荷的時(shí)候，為了使太陽電池陣表面沉積的電荷得到泄放，使太陽陣表面等電位，就需要在太陽電池玻璃蓋片上蒸鍍一層導(dǎo)電薄膜，有效地將沉積在該片表面的電荷瀉放掉。ITO導(dǎo)電膜是世界上控制太陽電池陣電位采用的普遍形式。通過將每片蓋片上的ITO膜連接成網(wǎng)絡(luò)，并與航天器的結(jié)構(gòu)地連接，在太陽電池陣表面形成一個(gè)電荷的通路，把太陽電池陣表面的電位差控制在±2 V之內(nèi)，接近于等電位。

美國和西歐國家發(fā)射的航天器中，例如美國的探險(xiǎn)者31號衛(wèi)星、GEOS衛(wèi)星、太陽觀測衛(wèi)星和測地衛(wèi)星以及歐空局近期發(fā)射的Rosetta衛(wèi)星等，都在太陽電池陣表面使用了ITO膜技術(shù)。圖4為歐空局發(fā)射的Rosetta衛(wèi)星用太陽電池陣表面的ITO網(wǎng)絡(luò)。每片ITO膜蓋片上的四個(gè)角都蒸鍍了電極，用金屬片連接，然后通過導(dǎo)線連接成網(wǎng)絡(luò)。

圖4 Rosetta航天器上太陽電池陣表面ITO網(wǎng)絡(luò)

3.2 電磁監(jiān)測衛(wèi)星采用的ITO膜結(jié)構(gòu)

電磁監(jiān)測航天器取用40 mm×60 mm的三結(jié)砷化鎵太陽電池及相應(yīng)尺寸大小的玻璃蓋片，ITO膜是在In2O3中摻雜SnO2的透明導(dǎo)電薄膜，蒸鍍在玻璃蓋片表面最外層，在蓋片的短邊一側(cè)相對的邊角位置蒸鍍兩個(gè)三角形的焊接電極，ITO膜導(dǎo)電涂層與兩個(gè)焊接電極具有良好的歐姆接觸，如圖5所示。

圖5 ITO膜結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 太陽電池陣ITO膜接地網(wǎng)絡(luò)

電池片的表面覆蓋有一定阻抗的ITO導(dǎo)電薄膜，當(dāng)單體太陽電池組成太陽陣后，每片玻璃蓋片上的ITO膜通過焊接電極以串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)相互聯(lián)接，之后再并聯(lián)成網(wǎng)絡(luò)，通過匯流條與太陽翼鉸鏈相連，最后通過SADA接入航天器“結(jié)構(gòu)地”，以實(shí)現(xiàn)電荷泄放的目的。ITO膜網(wǎng)絡(luò)示意如圖6所示。

圖6 ITO膜網(wǎng)絡(luò)接地示意圖

ITO膜是覆蓋在電池片表面的一層導(dǎo)電薄膜，根據(jù)導(dǎo)電薄膜的特性，具有一定的方塊電阻，方塊電阻的大小影響整個(gè)接地網(wǎng)絡(luò)的導(dǎo)電性。以每片ITO膜的方塊電阻為10 kΩ進(jìn)行計(jì)算，在太陽電池陣的整個(gè)接地網(wǎng)絡(luò)中，最多5片電池片串聯(lián)后就有一個(gè)并聯(lián)接地引出，所以，整個(gè)太陽陣表面的最大接地電阻為5片單元中間的電阻：

由于一個(gè)平面流向衛(wèi)星結(jié)構(gòu)地的總電流等于此平面內(nèi)接地單元的電流與接地單元數(shù)量的乘積，因此在計(jì)算太陽陣表面接地電阻時(shí)，考慮每個(gè)接地單元的并聯(lián)效應(yīng)，共有384個(gè)單元接地，所以，整個(gè)太陽陣表面的接地電阻為：

4 太陽電池陣電位仿真計(jì)算

根據(jù)Mott-Smith和Langmuir軌道運(yùn)動(dòng)限制理論(orbital motion limited theory,OML)，整個(gè)航天器的電位平衡條件是各個(gè)表面流入和流出的總電流之和等于零。

根據(jù)整個(gè)航天器的電流平衡關(guān)系，以及太陽電池板在軌的不同位置(側(cè)風(fēng)、迎風(fēng)和背風(fēng))，可以得到以下平衡關(guān)系：

根據(jù)以上電流平衡公式以及ITO膜在太陽電池陣表面并聯(lián)后形成的電阻，通過建模仿真計(jì)算得到在不同等離子體環(huán)境下太陽電池陣的表面電位。如表1所示。

表1 不同等離子體環(huán)境下太陽電池陣電位 V

注：弱等離子體環(huán)境下，等離子體密度為5×105；通常等離子體環(huán)境下，等離子體密度為1×106；強(qiáng)等離子體環(huán)境下，等離子體密度為2×106。

從表1可以看出，在不同等離子體環(huán)境下，通過在玻璃蓋片上蒸鍍ITO膜，太陽電池陣的電位得到了很好的控制，相對于周圍等離子體，太陽電池陣的表面電位控制在負(fù)電位的2 V之內(nèi)。

5 結(jié)論

通過對低軌空間等離子體環(huán)境及其對航天器太陽電池陣的影響分析，低軌空間等離子體對處于其中的航天器進(jìn)行表面充電，使其帶有一定的負(fù)電位，從而影響安裝在航天器上的等離子體分析儀和相關(guān)載荷的工作精度。在電池蓋片表面蒸鍍ITO導(dǎo)電膜，并連接成ITO膜網(wǎng)絡(luò)，使沉積在太陽電池陣表面的電荷得到了有效地泄放，把太陽電池陣表面的電位控制在±2 V以內(nèi)。

ITO膜對于電位敏感航天器的等電位控制起著很好的作用，減少航天器在軌運(yùn)行時(shí)表面電位的差異，保證星上儀器的探測精度以及數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，防止太陽電池陣表面靜電充/放電的發(fā)生，提高太陽電池陣的可靠性，滿足太陽電池陣表面潔凈度，有著很好的應(yīng)用前景[1-2]。

[1]漢斯.S.勞申巴赫.太陽電池陣設(shè)計(jì)手冊[M].張金熹，譯.北京：宇航出版社，1987:33-34.

[2]趙富鑫，魏彥章.太陽電池陣及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1985:17-18.

Controlling techniques of electrostatic cleanliness in design of solar arrays for electromagnetism survey satellite

The charging characters of the solar array surface in the LEO(low earth orbit)plasma environment were presented.To control the electrostatic cleanliness,a new design of the cover glass calling ITO(indium tin oxide)was introduced in the sensitive electromagnetism spacecraft solar array to get voltage potential of solar array less than± 2 V.Using emulated data analysis,the availability and rationality of the ITO film for controlling solar cell array surface potential were proved adequately.

low earth orbit(LEO);solar array;ITO(indium tin oxide);electrostatic cleanliness

ZHAO Ying,LIU Song-zhe,JIN Hai-wen

TM 914

A

1002-087 X(2014)02-0276-03

2013-09-10

趙穎(1977—)，女，天津市人，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g太陽電池陣設(shè)計(jì)。