低軌三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣遙測(cè)數(shù)據(jù)分析

解曉莉，高劍鋒，房愛省

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

低軌三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣遙測(cè)數(shù)據(jù)分析

解曉莉，高劍鋒，房愛省

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津 300384)

針對(duì)采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣作為主電源的低軌道衛(wèi)星進(jìn)行梳理，介紹了典型平臺(tái)產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)。收集、整理了在軌運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣的在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)，給出了其在軌溫度變化曲線，分析了電性能輸出及演化情況，為后續(xù)三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。

LEO軌道；三結(jié)砷化鎵；太陽(yáng)電池陣；遙測(cè)；在軌溫度

電源系統(tǒng)是航天器的重要組成部分，是航天器運(yùn)行的能量來源，配置一個(gè)高效、可靠的電源系統(tǒng)對(duì)于航天器，特別是小型航天器尤其重要。截至目前，世界上已發(fā)射的航天器除少量采用燃料電池、核能、一次性化學(xué)電池作為能源外，90%以上均采用太陽(yáng)電池陣-蓄電池電源系統(tǒng)。在光照區(qū)，太陽(yáng)電池陣通過光生伏特效應(yīng)將太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換為電能，滿足衛(wèi)星平臺(tái)及有效負(fù)載功率需求，同時(shí)為蓄電池組充電，滿足陰影期衛(wèi)星功率需求。小型航天器的功率需求通常從幾瓦到幾百瓦，對(duì)質(zhì)量和體積要求更為苛刻，采用高性能的太陽(yáng)電池陣是其必然選擇。從2008年開始，三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池以其高效率、耐輻射、低溫度系數(shù)等優(yōu)勢(shì)，取代單晶硅太陽(yáng)電池、單結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣在小型航天器上得到了廣泛的應(yīng)用。

本文針對(duì)采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣作為主電源的低軌道航天器進(jìn)行梳理，介紹了典型平臺(tái)CAST2000平臺(tái)產(chǎn)品的技術(shù)狀態(tài)，開展了典型太陽(yáng)電池陣在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)的收集、整理和分析，得到了太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間的性能變化以及衰降趨勢(shì)，同時(shí)獲得了在軌運(yùn)行期間太陽(yáng)電池陣的分流態(tài)電路、工作態(tài)電路的電路溫度、溫差等數(shù)據(jù)，積累了三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣低軌應(yīng)用的數(shù)據(jù)。

1 三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣應(yīng)用情況

目前，三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣以其高效率、耐輻射、低溫度系數(shù)等優(yōu)勢(shì)已逐步取代硅電池及單結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣廣泛應(yīng)用于各種高、中、低軌道航天器。在低軌道航天器應(yīng)用方面，我所已為18顆星、船提供了三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品，截至目前已發(fā)射16顆，均在軌工作良好。各三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品狀態(tài)詳見表1。

表1 我所研制的低軌道三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣(已發(fā)射)匯總表

2 在軌遙測(cè)數(shù)據(jù)分析

2.1 在軌輸出電壓分析

2.1.1 太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)狀態(tài)

衛(wèi)星母線電壓要求為(28.5±1)V。太陽(yáng)電池陣采用三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池作為發(fā)電單元，單體電池尺寸為39.8 mm×60.4 mm。太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)母線電壓、考慮衰降因子等采用以下公式計(jì)算出電池片的串聯(lián)數(shù)量。經(jīng)計(jì)算、確認(rèn)，太陽(yáng)電池陣采用18片電池串聯(lián)。

2.1.2 輸出電壓分析

對(duì)太陽(yáng)電池陣2009年至2013年在軌運(yùn)行期間輸出電壓的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，統(tǒng)計(jì)分析其在軌期間每個(gè)月的遙測(cè)最高值和最低值，得到太陽(yáng)電池陣在軌輸出變化趨勢(shì)，如圖1所示。圖示曲線表明，太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間，輸出電壓穩(wěn)定，遙測(cè)值為28.73～29.4 V，滿足衛(wèi)星的母線電壓要求。

圖1 太陽(yáng)電池陣母線電壓隨時(shí)間的變化

2.2 輸出性能變化趨勢(shì)分析

對(duì)太陽(yáng)電池陣2009年至2013年在軌運(yùn)行期間輸出電流的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，統(tǒng)計(jì)分析在軌期間每個(gè)月的電流遙測(cè)最大值，得到太陽(yáng)電池陣的輸出電流變化趨勢(shì)，詳見圖2。

圖2 太陽(yáng)電池陣方陣電流隨時(shí)間的變化

遙測(cè)數(shù)據(jù)顯示，太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行3.5年期間，方陣電流最高為44.52 A，出現(xiàn)在2012年的12月。方陣電流最低為41.32 A，出現(xiàn)在2010年6月。

觀察圖示太陽(yáng)電池陣的輸出電流，每年的變化趨勢(shì)基本相同，6月份方陣輸出電流最小，在12月達(dá)到最大。表明方陣輸出特性正好與入射光強(qiáng)的影響相吻合：夏至點(diǎn)日地距離最遠(yuǎn)，光強(qiáng)最弱，且光照角較大，故方陣輸出電流最低；冬至點(diǎn)日地距離最近，光強(qiáng)最強(qiáng)，且光照角較小，故方陣輸出電流最高。同時(shí)，變化趨勢(shì)表明，太陽(yáng)電池陣在軌期間的性能一致、穩(wěn)定，無明顯的性能衰降。

2.3 分流狀態(tài)分析

2.3.1 分流級(jí)的設(shè)計(jì)狀態(tài)

本三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品設(shè)置8級(jí)分流電路，對(duì)應(yīng)電源控制器的分流級(jí)數(shù)。同時(shí)，設(shè)置了分流狀態(tài)的遙測(cè)指令TMN16，以監(jiān)控當(dāng)時(shí)太陽(yáng)電池陣的分流狀態(tài)。具體分流狀態(tài)遙測(cè)值與分流狀態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系詳見表2。

表2 衛(wèi)星電源系統(tǒng)的分流狀態(tài)對(duì)應(yīng)表

2.3.2 分流狀態(tài)分析

太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間，每月選取分流狀態(tài)的6個(gè)遙測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行整理、分析，繪制分流狀態(tài)的變化趨勢(shì)，詳見圖3。

圖3 太陽(yáng)電池陣分流狀態(tài)隨時(shí)間的變化

遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)電池陣分流狀態(tài)的遙測(cè)值集中在0～2.5 V。依據(jù)分流級(jí)設(shè)置，表明太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間，第1～2級(jí)分流電路常處于分流態(tài)，第8級(jí)分流電路一直處于工作態(tài)。因此，監(jiān)測(cè)第1級(jí)分流電路的溫度代表分流態(tài)溫度，第8級(jí)分流電路的溫度代表工作態(tài)溫度。

2.4 電路溫度分析

2.4.1 測(cè)溫點(diǎn)分布

太陽(yáng)電池陣上共布置了4個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，每翼2個(gè)，分別為+Y翼內(nèi)板正面和背面各一個(gè)，用于監(jiān)測(cè)第1級(jí)分流電路溫度。-Y翼外板正面和背面各一個(gè)，用于監(jiān)測(cè)第8級(jí)分流電路溫度。

根據(jù)分流狀態(tài)遙測(cè)數(shù)據(jù)的分析，表明太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間第1級(jí)分流電路常處于分流態(tài)，第8級(jí)分流電路一直處于工作態(tài)。因此，+Y翼內(nèi)板溫度代表分流態(tài)電路的溫度，-Y外板溫度代表工作態(tài)電路的溫度。

2.4.2 電路溫度分析

(1)光照區(qū)的高溫環(huán)境

對(duì)太陽(yáng)電池陣2009年至2013年在軌運(yùn)行期間四個(gè)溫度的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，統(tǒng)計(jì)分析在軌期間每個(gè)月太陽(yáng)電池陣在光照區(qū)的最高溫度，并作圖進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，詳見圖4。

圖4 太陽(yáng)電池陣溫度遙測(cè)的高溫隨時(shí)間的變化

遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)電池電路在光照區(qū)的最高溫度均出現(xiàn)在每年的12月份。+Y內(nèi)板正面溫度遙測(cè)最高為95.34℃，+Y內(nèi)板背面溫度遙測(cè)最高為83.46℃，-Y外板正面溫度遙測(cè)最高為79.07℃，-Y外板背面溫度遙測(cè)最高為69.97℃。

觀察圖中太陽(yáng)電池陣溫度的變化可看出，分流態(tài)電路的溫度普遍高于供電態(tài)電路的溫度，兩種狀態(tài)下的電路溫差約為18～25℃。光照區(qū)，太陽(yáng)電池陣電路的正面溫度高于背面溫度，約為7～12℃。收集、整理的太陽(yáng)電池陣典型月份的溫度數(shù)據(jù)詳見表3。

表3 太陽(yáng)電池陣典型月份電路溫度匯總表

(2)陰影區(qū)的低溫環(huán)境

對(duì)太陽(yáng)電池陣2009年至2013年在軌運(yùn)行期間四個(gè)溫度的遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理，統(tǒng)計(jì)分析在軌期間每個(gè)月太陽(yáng)電池陣在陰影區(qū)的最低溫度，并作圖進(jìn)行變化趨勢(shì)分析，詳見圖5。

遙測(cè)數(shù)據(jù)表明，太陽(yáng)電池電路在陰影區(qū)的最低溫度均出現(xiàn)在每年的12月份。+Y內(nèi)板正面溫度遙測(cè)最低為-75.77℃，+Y內(nèi)板背面溫度遙測(cè)最低為-78.28℃，-Y外板正面溫度遙測(cè)最低為-80.79℃，-Y外板背面溫度遙測(cè)最低為-83.89℃。

2.4.3 進(jìn)出影溫度變化分析

衛(wèi)星的軌道周期為97.6 min。每一軌道圈既有光照區(qū)也有陰影區(qū)。因此，太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間進(jìn)出影較頻繁，一天內(nèi)約有15次。

選取太陽(yáng)電池陣2009年至2013年在軌運(yùn)行期間經(jīng)歷溫度范圍最大的時(shí)間段，繪制了一天內(nèi)進(jìn)出影的變化曲線，以及進(jìn)出影時(shí)的詳細(xì)變化過程，詳見圖6、7。遙測(cè)參數(shù)表明，太陽(yáng)電池陣在軌所經(jīng)歷的溫度范圍為-84～96℃。

圖5 太陽(yáng)電池陣溫度遙測(cè)的低溫隨時(shí)間的變化

圖6 太陽(yáng)電池陣一天內(nèi)進(jìn)出影溫度變化曲線圖

圖7 太陽(yáng)電池陣進(jìn)出影溫度變化曲線圖

3 結(jié)論

通過對(duì)在軌運(yùn)行的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池陣遙測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、整理、分析，可以總結(jié)出如下結(jié)論：太陽(yáng)電池陣在軌工作狀態(tài)良好，太陽(yáng)電池陣輸出穩(wěn)定；太陽(yáng)電池陣在軌輸出電流每年的變化趨勢(shì)相同，6月份最低，在12月份達(dá)到最大，且運(yùn)行3.5年后，性能無明顯衰降；太陽(yáng)電池陣在軌運(yùn)行期間所經(jīng)歷的溫度范圍達(dá)到-84～96℃；太陽(yáng)電池陣分流電路的溫度普遍高于工作電路的溫度，兩種狀態(tài)下的電路溫差約為18～25℃。

[1]馬世俊.衛(wèi)星電源技術(shù)[M].北京：宇航出版社，2001:202-203.

Remote sensing data analysis of LEO triple-junction GaAs solar array

XIE Xiao-li,GAO Jian-feng,FANG Ai-xing

LEO satellites based on triple-junction GaAs solar array as primary power was counted,while an introduction of the typical platform product configuration was presented.The remote sensing data of the triple-junction GaAs solar array,which was the current longest product in orbit,was collected and sorted.Solar array electrical output and the degraded trend were obtained according to the analyzed data,as well as temperature variety in orbit. The following Triple-junction GaAs solar array application was supported by the provided data.

LEO;triple-junction GaAs;solar array;remote sensing data;operating temperature

TM 914

A

1002-087 X(2014)02-0279-03

2013-09-10

解曉莉(1982—)，女，山西省人，工程師，主要研究方向?yàn)榭臻g太陽(yáng)電池陣技術(shù)。