超高速碰撞太陽電池陣誘發(fā)放電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究*

張書鋒，柴 昊,周玉新,張明志,劉振風(fēng),王 田

(1.北京東方計量測試研究所,北京 100086;2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

超高速碰撞太陽電池陣誘發(fā)放電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究*

張書鋒1，柴 昊1,周玉新2,張明志1,劉振風(fēng)1,王 田1

(1.北京東方計量測試研究所,北京 100086;2.中國空間技術(shù)研究院，北京 100094)

隨著空間碎片的日益增多，在軌運(yùn)行航天器的高壓太陽電池陣受到空間碎片撞擊的影響需要得到評估。通過二級輕氣炮加載彈丸，應(yīng)用Langmuir三探針和電流、電壓探針對空間用硅太陽電池陣在不同碰撞速度下產(chǎn)生的放電效應(yīng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，空間碎片撞擊太陽電池陣會誘發(fā)產(chǎn)生放電現(xiàn)象，撞擊過程產(chǎn)生的高濃度等離子體是放電現(xiàn)象產(chǎn)生的誘因，且碰撞速度越大，對太陽電池陣產(chǎn)生的損傷越嚴(yán)重。

爆炸力學(xué)；放電；超高速碰撞；太陽電池陣；空間碎片；等離子體

對任何一個在軌運(yùn)行的航天器而言，由于其太陽能電池陣長時間暴露于微流星和空間碎片撞擊環(huán)境中，受到微流星和空間碎片撞擊可能非常大。這種碰撞速度介于1～20 km/s的超高速撞擊，往往會造成太陽能電池陣穿孔破壞，進(jìn)而造成輸出功率降低，影響航天器正常工作，為此科學(xué)家們進(jìn)行了大量研究[1-5]。在超高速碰撞過程的早期，噴出物的部分物質(zhì)會發(fā)生電離，產(chǎn)生等離子體[6-9]。因此，開展超高速碰撞對太陽電池陣造成的物理損傷及碰撞中產(chǎn)生等離子體對太陽電池輸出的研究，有助于更加深入了解超高速撞擊對航天器太陽電池陣的影響。本文中利用自行構(gòu)建的實(shí)驗(yàn)電路及診斷方法，對上述問題開展實(shí)驗(yàn)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Configuration of experimental system

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)共由3部分組成：碎片加載系統(tǒng)、等離子體診斷系統(tǒng)和太陽陣輸出監(jiān)測系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)采用二級輕氣炮作為發(fā)射裝置，自行設(shè)計了外電路及等離子體診斷裝置，如圖1所示。撞擊靶板采用圖2所示的太陽電池單元。該單元共由4片硅太陽電池通過兩兩串聯(lián)、串間斷開的方式組成，以模擬高壓太陽電池陣在空間環(huán)境下相鄰電池串間的高壓差狀態(tài)，串間距取標(biāo)準(zhǔn)太陽電池片間距0.6 mm。

電池陣放置于靶室內(nèi)部可任意調(diào)節(jié)角度的靶架上，通過對兩串電池外加電壓來模擬太陽電池陣的輸出狀態(tài)。采用如圖3所示的測試電路，對碰撞瞬間太陽電池輸出狀態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測。其中，電流探針CP1用于對整個回路電流進(jìn)行測量，電流探針CP2用于相鄰串間電池電流測量，電流探針CP3用于電池片與鋁蜂窩基板間電流測量，電壓探針V用于對整個回路中的電壓進(jìn)行測量。在碰撞瞬間，碰撞點(diǎn)附近產(chǎn)生高濃度的等離子體，可能導(dǎo)致相鄰電池串間、電池片與基板間形成瞬間短路，在高電壓的作用下會對電池產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p傷。為模擬高壓太陽陣狀態(tài)，本實(shí)驗(yàn)選擇外加電壓100 V，彈丸入射方向與靶板放置法線方向夾角為60°，彈丸為4.7 mm的鋁制球形彈丸。實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行4組，測得碰撞速度分別為2.80、4.11、4.36、5.37 km/s。

圖2 太陽電池陣單元Fig.2 Solar array unit

圖3 放電檢測電路Fig.3 Arc detecting circuit

圖4 等離子體診斷原理圖Fig.4 Mechanism of plasma diagnosis

1.2 瞬態(tài)等離子體診斷

采用Langmuir三探針對碰撞過程產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行診斷，可獲得高速碰撞產(chǎn)生的瞬態(tài)等離子體的電子密度和電子溫度[10]，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，三探針中各個探頭位置成等邊三角形分布。

其計算公式如下：

電子溫度：

(1)

I1=I2+I3

(2)

電子密度：

(3)

(4)

(5)

式中：M是離子(由于基體及彈丸材料為鋁，因此本實(shí)驗(yàn)的離子即為鋁離子)質(zhì)量，g;S為探針的表面積，mm2;Ii為離子電流，μA；Vd2=3 V,Vd3=18 V，R=10 kΩ。圖5為本次實(shí)驗(yàn)過程中，等離子體溫度和密度隨碰撞速度的變化規(guī)律?？梢钥闯?，隨著速度的增大，等離子體的密度和溫度均隨著碰撞速度有顯著地增加。

圖5 等離子體參數(shù)隨碰撞速度變化示意圖Fig.5 Diagrams of plasma parameters vs. colliding velocity

2 結(jié)果與分析

圖6為碰撞后的太陽電池陣單元示意圖。從圖中可以清楚看出，碰撞點(diǎn)位于四片太陽電池交匯中心，碰撞過程的強(qiáng)大沖擊導(dǎo)致了太陽電池片出現(xiàn)不可修復(fù)的物理損傷，尤其是彈道入射方向同電池陣單元間夾角為銳角的兩個電池片，幾乎完全損壞。

圖6 撞擊完成后的太陽陣單元實(shí)物圖Fig.6 Solar array unit after impact

圖7 等離子體密度隨時間的變化Fig.7 Variation of plasma density with different times

以碰撞速度為4.36 km/s的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對本次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析。圖7為等離子體密度隨時間的演化規(guī)律。隨著等離子體在碰撞點(diǎn)附近的產(chǎn)生、膨脹、冷卻和復(fù)合，探針測得的等離子體密度符合實(shí)際情況。高濃度的等離子體成為電池陣單元片間以及片與基板間產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象的誘因，測得的等離子體密度高達(dá)1.62×1016m-3，遠(yuǎn)高于近地軌道空間等離子體的密度。雖然持續(xù)時間在微秒級，但伴隨著高電壓，其能量足以引起電弧放電，并導(dǎo)致了電池陣單元基板上的鋁蜂窩產(chǎn)生燃燒，造成基板結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重?fù)p傷。

圖8所示為放電監(jiān)測電路電流、電壓探針測得的信號。從圖中可以看出，撞擊導(dǎo)致了電池陣單元電池片間、電池片與基板間瞬間導(dǎo)通，由于基板鋁蜂窩的導(dǎo)電性優(yōu)于電池片與電池片間，其產(chǎn)生的放電要更強(qiáng)，因而造成的損傷亦更大。

圖8 放電監(jiān)測電路電流、電壓探針波形Fig.8 Current and voltage waveforms of arc detecting circuit

3 結(jié) 論

空間碎片撞擊太陽電池陣會產(chǎn)生高濃度的等離子體，進(jìn)而誘發(fā)產(chǎn)生瞬間短路現(xiàn)象，對太陽電池陣單元產(chǎn)生機(jī)械損傷的同時，亦會產(chǎn)生嚴(yán)重的電損傷，導(dǎo)致基板鋁蜂窩產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)龤У默F(xiàn)象；且隨著碰撞速度的增大，產(chǎn)生的損傷效應(yīng)也更加嚴(yán)重。

感謝沈陽理工大學(xué)唐恩凌教授在實(shí)驗(yàn)過程中給予的指導(dǎo)和幫助。

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(責(zé)任編輯 曾月蓉)

Experimental study for discharge effect of hypervelocity impact on solar array

Zhang Shufeng1, Chai Hao1, Zhou Yuxin2, Zhang Mingzhi1, Liu Zhenfeng1, Wang Tian1

(1.BeijingOrientalInstituteofMeasurement&Testing,Beijing100086,China;2.ChinaAcademyofSpaceTechnology,Beijing100094,China)

As the increasing quantity of space debris has become a great hazard to the high-voltage solar array of the spacecraft in orbit, there is a more urgent need to evaluate the discharge effect of hypervelocity on the solar array as a result of the impact by space debris. In this paper, using projectiles loaded by a two-stage light gas gun, and employing the Langmuir triple probe and the probes of the current and the voltage, we explored the discharge effect on the space solar array at different impact velocities. Results showed that the impact may give rise to solar array discharge, which is induced by high density plasma generated by the impact, and that the increasing impact velocities can lead to more serious damage to the solar array.

mechanics of explosion; discharge; hypervelocity impact; solar array; space debris; plasma

10.11883/1001-1455(2016)03-0386-05

2014-10-20； < class="emphasis_bold">修回日期：2015-03-23

2015-03-23

國防科工局空間碎片“十二五”專項(xiàng)基金項(xiàng)目(K0201410)

張書鋒(1980— )，男，博士,高級工程師,thuzsf@163.com。

O383 <國標(biāo)學(xué)科代碼：13035 class="emphasis_bold"> 國標(biāo)學(xué)科代碼：13035 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A國標(biāo)學(xué)科代碼：13035

A