空間碎片和微流星對衛(wèi)星太陽翼的撞擊損傷及防護(hù)研究

姜東升 鄭世貴 馬寧 劉瑩 邱羽玲

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

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空間碎片和微流星對衛(wèi)星太陽翼的撞擊損傷及防護(hù)研究

姜東升 鄭世貴 馬寧 劉瑩 邱羽玲

(北京空間飛行器總體設(shè)計部，北京 100094)

空間碎片和微流星撞擊的累積效應(yīng)，將導(dǎo)致太陽電池片性能衰降,甚至造成一定串?dāng)?shù)太陽電池片的損傷。高速撞擊甚至?xí)ぐl(fā)等離子體，擴(kuò)散的等離子體會誘發(fā)放電，引起太陽電池片電路的電弧放電，導(dǎo)致太陽翼輸出功率下降。文章分析了碰撞對太陽電池片造成的物理損傷，還分析了碰撞對電纜束、鋁蜂窩板芯的影響。針對3種太陽同步軌道衛(wèi)星特點分析了其太陽翼遭受空間碎片和微流星撞擊的風(fēng)險，給出了太陽翼的防護(hù)措施，可為太陽翼防空間碎片撞擊設(shè)計的方案選取提供借鑒。

太陽電池片；太陽翼；空間碎片和微流星；撞擊損傷；防護(hù)措施

1 引言

隨著人類空間探測活動的擴(kuò)展，不斷增長的留軌物體間的二次碰撞產(chǎn)生了很多空間碎片留在軌道上。航天器同樣還面對來自彗星和小行星帶的微流星的碰撞。這些空間碎片和微流星對衛(wèi)星造成嚴(yán)重威脅。地球軌道的微流星和空間碎片環(huán)境包括各種質(zhì)量、各種直徑、各種速度的高速微粒。微流星的平均密度為0.5 g/cm3，平均速度為20 km/s?？臻g碎片的平均密度為2.8 g/cm3，相對不同軌道，其速度從9～10 km/s[1]不等。根據(jù)NASA在軌碎片項目辦公室2017年的數(shù)據(jù)，目前在軌存在大約17 000個尺寸大于10 cm的物體，幾千萬個小于1 cm 的微粒，大約500 000個大小介于二者之間的微粒。所有在軌運(yùn)行的航天器都有被空間碎片和微流星撞擊的風(fēng)險。太陽翼為航天器暴露于空間最大面積的部件，它被空間碎片和微流星撞擊的概率較高。通過對哈勃太空望遠(yuǎn)鏡回收的太陽翼的分析，在軌4年期間，太陽翼承受了大約5000～6000次微流星體的撞擊。撞擊損傷從輕微的擦傷到在電池片和太陽電池板上造成穿孔[2]。2011年6月12日一顆我國地球靜止軌道(GEO)衛(wèi)星某個太陽翼的分流電流突然下降，根據(jù)遙測信號，分流電流從當(dāng)時工作狀態(tài)對應(yīng)的7.78 A下降到4.94 A，與此同時衛(wèi)星偏航角改變了0.1°，3 min后姿態(tài)控制分系統(tǒng)將衛(wèi)星姿態(tài)控制穩(wěn)定。根據(jù)初步分析，估計衛(wèi)星被空間碎片或微流星擊中的可能性較大。

本文研究了空間碎片和微流星體對衛(wèi)星太陽翼的撞擊損傷，可為太陽翼的防護(hù)設(shè)計提供借鑒。

2 空間碎片和微流星對太陽翼撞擊效應(yīng)

任何在軌飛行的衛(wèi)星都有被空間碎片和微流星體撞擊的風(fēng)險。在過去20年，根據(jù)國外公開報道數(shù)據(jù)[3]，國外衛(wèi)星共發(fā)生過8起較嚴(yán)重在軌衛(wèi)星受到撞擊的事件(見表1)。

表1 在軌衛(wèi)星受到撞擊事件(1993-2013年)

任何衛(wèi)星，如果遭受來自空間質(zhì)量大于幾克或體積較大物體的高速撞擊都會受到損傷，與微小物體的撞擊也會導(dǎo)致嚴(yán)重的表面侵蝕。太陽翼作為衛(wèi)星直接暴露于空間環(huán)境的最大部件，遭受來自空間碎片和微流星撞擊也最顯著。對太陽翼的撞擊將導(dǎo)致衛(wèi)星姿態(tài)的變化、太陽電池片的損傷和輸出功率的損失，進(jìn)而破壞太陽翼的結(jié)構(gòu)。微小碎片對太陽翼表面的單獨撞擊通常不會威脅到系統(tǒng)的關(guān)鍵功能，然而大量微小碎片撞擊在大面積太陽翼上的累積效應(yīng)[4]，再加上空間輻照、原子氧、紫外等因素的綜合效應(yīng)，將導(dǎo)致太陽翼輸出功率的下降。

太陽電池板結(jié)構(gòu)見圖1，太陽電池片上粘貼摻鈰的玻璃蓋片組成疊層太陽電池片，以提高其抗輻射和抗微小空間碎片撞擊損傷能力；太陽電池陣由疊層太陽電池片經(jīng)串并聯(lián)后組成太陽電池電路，并通過硅膠粘接在太陽電池板上。在太陽電池片和基板之間粘有一層聚酰亞胺薄膜，對太陽電池片電極和導(dǎo)電基板間起絕緣作用。在太陽電池板的背面敷設(shè)了電路的引出線，組成了板電纜和板間電纜，通過電連接器將板間電纜連接，確保電流傳輸進(jìn)入衛(wèi)星。

空間碎片對太陽翼的具體撞擊損傷種類主要包括：太陽電池片的光學(xué)特性衰減、太陽電池片的物理損傷、太陽電池板的機(jī)械損傷、等離子體放電和電連接器及電纜損傷幾種。

圖1 太陽電池板結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of solar array panel

2.1 太陽電池片的光學(xué)特性衰減

光學(xué)特性衰減指太陽電池片的入射光被部分耗散或吸收，因此轉(zhuǎn)換為電能的能量減少。光學(xué)損傷通常只發(fā)生在玻璃蓋片上，沒有損傷到太陽電池片。尺寸為1～100 μm的微小顆粒是造成光強(qiáng)減弱的主因。顆粒越大，通量越小，造成的光學(xué)損傷越小。尺寸大于1000 μm的顆粒造成的光學(xué)損失可以忽略[5]。光學(xué)特性衰減的機(jī)理是由于玻璃蓋片表面發(fā)生損傷，形成微小裂痕、劃痕和坑，如圖2所示[6]。光學(xué)特性衰減量由損傷面積、撞擊坑的面積和是否有灰塵留在撞擊坑中所決定。

圖2 太陽電池片玻璃蓋片上的撞擊坑Fig.2 Crater on solar cell coverglass

2.2 太陽電池片的物理損傷

對于有玻璃蓋片的太陽電池片，玻璃蓋片可以在一定程度上阻止顆粒撞擊到太陽電池片本身。在大尺寸(100～2000 μm)顆粒的高速撞擊下，太陽電池片將受到損傷，甚至被擊穿或短路，如圖3所示[7]。在這種撞擊下的功率損失遠(yuǎn)大于光學(xué)表面損傷。被微流星體和空間碎片撞擊的電池表現(xiàn)為兩種損傷機(jī)理：①由于柵格損傷造成串聯(lián)電阻增大；②由于半導(dǎo)體PN結(jié)的損傷造成并聯(lián)電阻減小。這都將導(dǎo)致太陽電池片輸出電流減小或完全損失。如果太陽電池片本身受到損傷，損失的電流大小正比于損傷面積。

圖3 太陽電池片損傷照片(哈勃空間望遠(yuǎn)鏡)Fig.3 Solar cell damage photo(HST)

2.3 太陽電池板的機(jī)械損傷

太陽電池板通常由碳纖維面板和鋁蜂窩芯構(gòu)成，一般叫“三明治板”。擁有較高速度的大尺寸(≥5 mm)顆粒能夠完全穿透太陽電池板，留下一個清晰的洞。當(dāng)微流星體或空間碎片撞擊到太陽翼基板，顆粒將穿過太陽電池片和前面板，然后碎片穿過鋁蜂窩芯，最終撞擊上背面板。隨著撞擊速度提高，穿孔的形狀依然不規(guī)則。對鋁蜂窩芯的損傷，增大撞擊速度將導(dǎo)致鋁蜂窩芯損傷的擴(kuò)大，如圖4所示[8]。

圖4 太陽翼基板地面撞擊試驗圖Fig.4 Panel ground impact experiment photo

2.4 等離子體放電

空間碎片與太陽翼相撞不僅導(dǎo)致機(jī)械損傷，如破壞太陽電池片和基板；還會帶來電氣損傷，如太陽翼通過由高速沖擊帶來的局部高濃度等離子體放電。這些等離子體會引起太陽翼上局部電池串間，以及電池串和基板間的放電。由于電池串間(差模電容)，電池串與基板間(共模電容)存在寄生電容，當(dāng)空間碎片撞擊太陽電池片造成局部損傷和等離子體時，會導(dǎo)致電容瞬間短路大電流放電。在最壞情況下，放電點產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致絕緣層的碳化，造成永久性的短路通路[6]。在日本Kyushu技術(shù)學(xué)院做的試驗中，當(dāng)空間碎片和太陽電池片直接相撞，太陽電池片電路幾乎立即與基板短路，如圖5所示[9-10]。

圖5 等離子體誘發(fā)太陽電池串放電Fig.5 Plasma trigger solar cell discharge

2.5 電連接器和電纜

太陽翼上的電纜和電連接器是電流的匯集體。電纜匯集成束，電纜束通過電連接器從板間將電流送入衛(wèi)星內(nèi)。由于所有的電流通過電纜和電連接器傳輸，一旦它們受到微流星體和空間碎片的撞擊，造成的損害更大。電纜受到撞擊后有兩種故障模式：一是電連續(xù)性被破壞，造成電纜開路，意味著太陽翼失去部分功率輸出；二是相鄰電纜持續(xù)放電。電弧產(chǎn)生的熱量燒毀相鄰健康電纜的絕緣皮。電弧從一根電纜傳播到另一根電纜，直到所有的電纜被燒毀

圖6 撞擊誘發(fā)電纜短路Fig.6 Impact trigger short circuit in cable

和短路。這種故障將導(dǎo)致整個太陽翼輸出功率的喪失，如圖6、7所示[11]。

圖7 電纜被撞擊切斷Fig.7 Cables cut off by impact

不同尺寸空間碎片及微流星體對太陽翼損傷影響見表2。

表2 空間碎片和微流星對太陽翼撞擊損傷影響

3 空間碎片和微流星對太陽翼撞擊防護(hù)措施

空間碎片和微流星對太陽翼造成的危害，主要體現(xiàn)為累積效應(yīng)、動能損傷和等離子體放電。各種不同尺寸空間碎片和微流星會對航天器太陽翼的不同部分產(chǎn)生多種類型損害。微小碎片累積效應(yīng)會降低太陽電池片的性能；撞擊產(chǎn)生的等離子體會破壞航天器供電系統(tǒng)；航天器受較大空間碎片撞擊會導(dǎo)致穿孔、甚至結(jié)構(gòu)解體。按照不同尺寸碎片造成不同程度損害，具體可以分為以下幾種情況[12]：

(1)小于毫米級的碎片，能夠破壞太陽翼的玻璃蓋片表面。這樣的小粒子充斥近地軌道，長期與太陽翼碰撞會產(chǎn)生巨大的累積效應(yīng)，特別是對其光學(xué)表面發(fā)生化學(xué)污染、凹陷剝蝕或斷裂，降低太陽翼的效率。

(2)毫米級的碎片，撞擊太陽翼，產(chǎn)生的沖擊波在結(jié)構(gòu)背面卸載，發(fā)生層裂，形成二次碎片；同時會激發(fā)等離子體和產(chǎn)生靜電放電。

(3)厘米級的碎片會穿透太陽翼，對太陽電池電路和太陽翼基板結(jié)構(gòu)造成破壞。

(4)10厘米級以上的碎片通常是無法防護(hù)的，會造成太陽翼結(jié)構(gòu)的破壞和解體，同時產(chǎn)生大量的碰撞次生空間碎片。應(yīng)對這種類型空間碎片，一般采用規(guī)避的策略加以避免。

根據(jù)空間碎片工程模型MASTER-2005(歐洲航天局推出的空間碎片環(huán)境模型)，對軌道上的碎片通量及分布進(jìn)行了計算，結(jié)果表明：對于碎片分布較密集的太陽同步軌道和地球同步軌道的碎片通量，主要來自20～1000 μm的微小碎片；對于軌道高度為500 km的低地球軌道(LEO)，衛(wèi)星太陽翼受到直徑小于0.1 mm的空間碎片撞擊次數(shù)為10～100次/m2/年。太陽電池陣直接暴露于空間，由于其面積較大，所遭遇的微小碎片撞擊相對較多，特別是對于長壽命衛(wèi)星問題將更加嚴(yán)重。

假定衛(wèi)星運(yùn)行在高度為800～1000 km、傾角為97°的太陽同步圓軌道，2020年發(fā)射、在軌時間5年，衛(wèi)星三軸穩(wěn)定飛行。根據(jù)ORDEM2000軟件計算分析獲得風(fēng)險評估結(jié)果見表3，由表3可知，毫米級、亞毫米級碎片對太陽翼的撞擊概率為100%。

表3 衛(wèi)星空間碎片撞擊風(fēng)險

國際上，在航天器的空間碎片防護(hù)中采用的防護(hù)材料有鋁板、Nextel纖維布、凱夫拉(Kevlar)纖維布、Beta布，由于太陽電池片要求防護(hù)材料具有透光性，傳統(tǒng)防護(hù)材料很難滿足該要求。為了降低空間微小碎片對太陽電池片的物理損傷，在太陽電池片表面覆蓋起保護(hù)作用的玻璃蓋片，既可以抗粒子輻照對太陽電池片的損傷，又可以防護(hù)微小碎片的撞擊。國外研究表明[13]，聚合物型電池蓋片對空間碎片不具備防護(hù)能力，玻璃蓋片能夠?qū)臻g微小碎片進(jìn)行有效的阻擋，可大大降低空間碎片撞擊太陽電池片的損傷效應(yīng)。

文獻(xiàn)[14]根據(jù)地面撞擊試驗得到石英光學(xué)玻璃受到空間碎片撞擊，撞擊坑深與空間碎片的直徑關(guān)系方程為

(1)

式中：dp為玻璃蓋片受撞擊產(chǎn)生的撞擊坑深度，cm；ρd為空間碎片的密度，g/cm3；v為空間碎片的速度，km/s；D為空間碎片直徑，cm。

對于粘貼在太陽電池片上的玻璃蓋片，理想條件下，由式(1)分析計算獲得選用玻璃蓋片厚度與能阻擋空間碎片最大直徑的關(guān)系，如圖8所示。

圖8 玻璃蓋片厚度與能阻擋空間碎片最大直徑的關(guān)系Fig.8 Relationship between thick of cover glass and diameter of debris

國內(nèi)衛(wèi)星太陽電池片表面通常覆蓋有厚度為100 μm的玻璃蓋片,根據(jù)圖8分析計算結(jié)果，該厚度的玻璃蓋片可以阻止直徑小于20 μm，速度為10 km/s的微小碎片的撞擊對太陽電池片的損傷。直徑小于20 μm的空間碎片只能對太陽電池片表面的玻璃蓋片產(chǎn)生影響,導(dǎo)致透光率降低20%～30%[15]，而不會直接對太陽電池片造成損傷。對于直徑大于20 μm的空間碎片，將穿透玻璃蓋片，對太陽電池片造成直接損傷，甚至穿過太陽電池片。

4 太陽翼空間碎片防護(hù)設(shè)計經(jīng)驗與啟示

從衛(wèi)星供電安全層面考慮，必須降低整翼失效的風(fēng)險，特別是對于匯集電流的電纜和電連接器關(guān)鍵器件，由于受到撞擊后會造成嚴(yán)重后果，國外采取了電連接器加防護(hù)殼體，重要電纜束用防護(hù)材料包裹保護(hù)的方案[16]。目前，國內(nèi)航天器太陽翼的電纜和電連接器還沒采用針對性的保護(hù)措施，對于航天器太陽翼電連接器一定要確保使用原裝外殼，以具備保護(hù)功能，同時設(shè)計時需要認(rèn)真布局避免電連接器集中，并采取保護(hù)措施。對直徑10 cm以上的能造成整翼失效的危險碎片，采用整星規(guī)避的策略加以避免。國內(nèi)外常見的太陽翼撞擊防護(hù)措施見表4。

衛(wèi)星電源系統(tǒng)分為多個分流電路聯(lián)合供電，每個分流電路各與幾串太陽電池電路連接，為避免碎片撞擊誘發(fā)整串電路短路，導(dǎo)致整個分流電路失效，在各電池串之間串聯(lián)隔離二極管，以隔離故障，降低功率損失。由于撞擊誘發(fā)等離子體造成的電池串的二次放電有可能導(dǎo)致整串電池短路，危害很大，所以太陽電池片布片設(shè)計時，片間要留有足夠的間隙，通常使相臨兩個太陽電池片的間隙大于1 mm,并在邊緣填涂RTV 膠,使空間碎片撞擊產(chǎn)生的等離子體和太陽電池片之間建立起一個勢壘,阻止二次放電的發(fā)生；美國航空航天局劉易斯中心(NASA/Lewis)的研究表明：RTV膠工藝可使太陽電池串二次放電閾值提高到200 V，降低二次放電的機(jī)率，并對基底起到保護(hù)作用，防止由于溫度過高使基底材料熱解而碳化導(dǎo)電[17]。

表4 國內(nèi)外空間碎片和微流星對太陽翼撞擊防護(hù)措施統(tǒng)計

太陽翼的功能是實現(xiàn)光能向電能的轉(zhuǎn)化，為衛(wèi)星提供充足的能源。為了降低空間微小碎片對太陽電池片的物理損傷，在太陽電池片表面增加一定密度和厚度的玻璃蓋片，阻擋空間碎片的撞擊。為保證空間碎片撞擊損傷造成太陽翼輸出功率下降后仍滿足整星功率需求，在設(shè)計時通常采用冗余設(shè)計，即為撞擊帶來的輸出功率衰降預(yù)留適當(dāng)裕度面積的太陽電池片。另外，為了防止一次撞擊導(dǎo)致多串太陽電池片短路功率損失，采用多次往返布片的形式,減小大尺寸碎片對相鄰兩個電池串同時撞擊的概率。

由于直徑10 cm以上的空間碎片對衛(wèi)星的撞擊危害極大，能造成大面積面板穿孔甚至整翼失效；同時，10 cm以上的空間碎片目前能夠精確觀測和預(yù)警，目前通常采用整星規(guī)避的策略加以避免。

5 結(jié)束語

通過分析空間碎片和微流星碰撞對太陽電池片造成的損傷及影響，總結(jié)了針對不同大小空間碎片和微流星所需采取的太陽翼的防護(hù)措施。研究結(jié)果表明：進(jìn)行衛(wèi)星電源系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮太陽翼被高速撞擊的風(fēng)險，重點防范1 cm以下微小碎片的撞擊，在太陽電池片表面覆蓋一定密度和厚度的玻璃蓋片，保護(hù)太陽電池片；同時設(shè)計時采用冗余設(shè)計，預(yù)留適當(dāng)裕度面積的太陽電池片。對于尺寸大于1 cm、小于10 cm的碎片，通常對重要功率電纜束采用防護(hù)材料包裹保護(hù)，電池片間縫隙填涂RTV膠，提高二次放電閾值，降低二次放電機(jī)率的防護(hù)措施。對于尺寸大于10 cm的碎片則采用整星規(guī)避的策略。

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(編輯：李多)

Study of Space Debris and Meteoroid Impact Effects on Spacecraft Solar Array

JIANG Dongsheng ZHENG Shigui MA Ning LIU Ying QIU Yuling

(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094，China)

The debris impact may cause the degradation of solar cell electrical character because of the cumulative effect,and even damage several strings of solar cells which depends on the diameter of the debris. Hypervelocity impact even with exciting plasma,and spreading plasma can initiate discharge which is able to induce arcing on the solar circuits,then decreasing the output power of solar array. The impact damage on solar cell and effect on wires and aluminum honeycomb are also discussed in this paper. The risk of debris impact on solar array of 3 type sun synchronous orbits satellite is analyzed,and the protection solutions for solar panel design are proposed to decrease the damage from space debris.

solar cell;solar array；debris and meteoroid；impact damage；protection

2016-10-31；

2017-01-28

姜東升，男，高級工程師，從事衛(wèi)星電源分系統(tǒng)總體研究。Email：jiang_dongsheng@sohu.com。

V520

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.02.016