高分三號(hào)衛(wèi)星太陽電池陣設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

趙長江 李小飛 陳琦 劉靜 喬明 劉艷麗

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

高分三號(hào)衛(wèi)星太陽電池陣設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

趙長江 李小飛 陳琦 劉靜 喬明 劉艷麗

(北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部,北京 100094)

通過分析高分三號(hào)(GF-3)衛(wèi)星合成孔徑雷達(dá)(SAR)載荷多模式的成像任務(wù)規(guī)劃、大型展開式桁架構(gòu)型設(shè)計(jì)、高低壓雙母線電源設(shè)計(jì)等特點(diǎn),識(shí)別出LEO軌道靜電放電對(duì)高壓太陽電池陣設(shè)計(jì)的影響,衛(wèi)星左側(cè)視成像和右側(cè)視成像下大型SAR天線遮擋及衛(wèi)星8年長壽命期間電纜頻繁扭轉(zhuǎn)對(duì)傳輸性能的影響,提出了一種適用于復(fù)雜遮擋情況下高低壓雙母線電源系統(tǒng)的太陽電池陣設(shè)計(jì)思路,完成了太陽電池陣設(shè)計(jì)、遮擋仿真分析、靜電放電試驗(yàn)、電纜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和在軌數(shù)據(jù)分析,驗(yàn)證了太陽電池陣設(shè)計(jì)的正確性,可以為中國后續(xù)大功率SAR衛(wèi)星太陽電池陣設(shè)計(jì)提供參考。

合成孔徑雷達(dá)衛(wèi)星;遮擋分析;扭轉(zhuǎn)試驗(yàn);在軌驗(yàn)證

1 引言

高分三號(hào)(GF-3)是一顆具備1 m分辨率成像能力的C頻段多極化合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星,能夠全天候、全天時(shí)實(shí)現(xiàn)全球海洋和陸地信息的監(jiān)視監(jiān)測,其獲取的C頻段多極化微波遙感信息可以用于海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)領(lǐng)域,服務(wù)于我國海洋、減災(zāi)、水利及氣象等多個(gè)行業(yè)及業(yè)務(wù)部門,是我國實(shí)施海洋開發(fā)、陸地環(huán)境資源監(jiān)測和防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)途徑。

太陽電池陣作為衛(wèi)星電源系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備,為衛(wèi)星平臺(tái)及載荷設(shè)備提供能源,是衛(wèi)星生存及可靠運(yùn)行的基本保障。但是,相對(duì)傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星,GF-3衛(wèi)星在總體設(shè)計(jì)上有其特殊性。衛(wèi)星SAR載荷具有高功率的特點(diǎn),功率需求可達(dá)8 k W,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出常規(guī)光學(xué)遙感衛(wèi)星3 k W級(jí)的功率需求,同時(shí)SAR成像模式多,通常需要衛(wèi)星姿態(tài)頻繁左右側(cè)擺機(jī)動(dòng),來擴(kuò)大對(duì)地觀測范圍和提升快速響應(yīng)能力,此外GF-3衛(wèi)星SAR天線采用大型展開式桁架結(jié)構(gòu),展開長度可達(dá)15 m,與太陽電池陣在構(gòu)型布局上存在相容性問題,這都給太陽電池陣設(shè)計(jì)帶來了較高的難度。因此,如何解決衛(wèi)星頻繁側(cè)擺成像、構(gòu)型布局限制、高功率能源需求等因素帶來的影響,滿足衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間能源供給,成為太陽電池陣設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

本文針對(duì)GF-3衛(wèi)星任務(wù)規(guī)劃、構(gòu)型布局、能源等方面的需求開展分析,識(shí)別出低地球軌道(LEO)靜電放電、衛(wèi)星左右側(cè)擺成像下SAR天線遮擋和功率電纜頻繁扭轉(zhuǎn)等太陽電池陣設(shè)計(jì)的影響因素,提出了一種適用于復(fù)雜遮擋情況下高壓母線電源系統(tǒng)的太陽電池陣設(shè)計(jì)思路,開展了針對(duì)性的設(shè)計(jì)和仿真分析,并通過地面試驗(yàn)和在軌測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的正確性。

2 太陽電池陣任務(wù)分析

2．1 任務(wù)需求分析

GF-3衛(wèi)星運(yùn)行在太陽同步回歸凍結(jié)軌道,軌道高度為755 km,降交點(diǎn)地方時(shí)為上午6點(diǎn)。作為衛(wèi)星發(fā)電設(shè)備,太陽電池陣任務(wù)包括:①滿足衛(wèi)星在軌8年運(yùn)行期間的長壽命高可靠性要求;②適應(yīng)衛(wèi)星載荷高壓大功率需求;③滿足衛(wèi)星左右側(cè)擺姿態(tài)機(jī)動(dòng)條件下衛(wèi)星功率需求[1]。根據(jù)上述任務(wù)特點(diǎn),確定了GF-3衛(wèi)星太陽電池陣設(shè)計(jì)的4個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),包括長壽命設(shè)計(jì)、低軌高壓靜電防護(hù)設(shè)計(jì)、復(fù)雜遮擋下布局設(shè)計(jì)、功率電纜扭轉(zhuǎn)可靠性設(shè)計(jì),如圖1所示。

2．2 設(shè)計(jì)約束分析

太陽電池陣設(shè)計(jì)過程中,主要受到4個(gè)方面的設(shè)計(jì)約束。

(1)長壽命高可靠約束。太陽電池陣由太陽電池片、玻璃蓋片、互連片和電纜組成[2]。若將工作壽命提升至8年,太陽電池陣接受的累計(jì)輻照總劑量增加、溫度交變次數(shù)增加和原子氧累計(jì)劑量增加。輻照總劑量增加將會(huì)導(dǎo)致太陽電池片在工作點(diǎn)的輸出電壓和電流減小,從而導(dǎo)致輸出功率降低,冷熱交變影響主要體現(xiàn)在太陽電池片之間的互連片的應(yīng)力損傷,原子氧總劑量的增加會(huì)導(dǎo)致太陽電池銀互連片和太陽電池片與太陽翼結(jié)構(gòu)之間的聚酰亞胺膜腐蝕加劇,因此太陽電池陣設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮上述因素的影響,采取有效應(yīng)對(duì)措施,保障在軌運(yùn)行期間功能和性能可靠性。

(2)軌道環(huán)境約束。GF-3衛(wèi)星的平均軌道為755．4 km的太陽同步軌道,其空間環(huán)境比較復(fù)雜,布滿稠密的等離子體,帶電粒子密度要比地球靜止軌道高4～6個(gè)數(shù)量級(jí),高壓太陽陣會(huì)與等離子體相互作用而發(fā)生靜電放電(ESD)現(xiàn)象。GF-3衛(wèi)星載荷母線電壓為50.0～68.0 V,對(duì)應(yīng)太陽電池陣輸出電壓約為54．0～72．2 V。通常認(rèn)為,在閾值電壓超過75.0 V時(shí),能維持持續(xù)放電導(dǎo)致太陽電池陣功率損失。因此,有必要對(duì)太陽電池陣設(shè)計(jì)和工藝進(jìn)行驗(yàn)證,以明確ESD發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)性及其對(duì)電池陣的損傷,并采取適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施,以減少或避免由于ESD導(dǎo)致的太陽電池陣功率損失。

(3)遮擋約束。由于衛(wèi)星構(gòu)型布局復(fù)雜,考慮各類敏感器視場要求,太陽電池陣采用雙翼對(duì)稱布局、展開方向沿衛(wèi)星飛行方向、驅(qū)動(dòng)軸垂直星體方式,SAR天線采用可展開式桁架結(jié)構(gòu),沿衛(wèi)星飛行展開后形成15 m×1．5 m的平面天線陣,如圖2所示。由于太陽電池陣與SAR天線均沿衛(wèi)星X軸飛行方向展開,兩者在空間上存在耦合性,太陽電池陣存在被SAR天線遮擋的情況,因此,設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮上述因素對(duì)太陽電池陣遮擋情況,進(jìn)行遮擋分析和確定[3]。

(4)姿態(tài)約束。衛(wèi)星在軌期間由于載荷成像模式多,需要頻繁進(jìn)行姿態(tài)機(jī)動(dòng),衛(wèi)星飛行姿態(tài)包括正飛姿態(tài)、右側(cè)視31．5°姿態(tài)、左側(cè)視31．5°姿態(tài)。由于太陽電池陣輸出電壓高功率大,且所處軌道靜電環(huán)境復(fù)雜,采用無滑環(huán)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu),依靠太陽電池陣與星內(nèi)連接電纜扭轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)太陽翼轉(zhuǎn)動(dòng)期間的功率和信號(hào)傳輸。因此,有必要進(jìn)行連接電纜扭轉(zhuǎn)可靠性分析和驗(yàn)證,以保證在軌期間功率和信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

3 太陽電池陣設(shè)計(jì)

3．1 長壽命設(shè)計(jì)

太陽電池陣使用壽命是制約電源系統(tǒng)壽命的關(guān)鍵因素,應(yīng)開展專項(xiàng)的性能指標(biāo)分析和材料工藝的設(shè)計(jì)。衛(wèi)星在軌5年輻照總劑量為1×1014e/cm2,8年輻照總劑量將增加1倍左右[4],在滿足壽命末期(EOL)輸出功率5%余量前提下,太陽電池陣功率損失因子由0．9/5年降低到0．87/8年。衛(wèi)星選取的晨昏軌道地影期較少,8年共計(jì)10 000次左右,考慮到傳統(tǒng)遙感衛(wèi)星太陽電池陣能夠承受5年30 000次溫度循環(huán)沖擊,現(xiàn)有力學(xué)設(shè)計(jì)能夠滿足8年溫度交變要求。此外,太陽電池陣選取抗原子氧性能優(yōu)良的互連片和聚酰亞胺膜,能夠承受8年原子量總量7．2×1020的腐蝕,滿足在軌使用要求。

3．2 靜電防護(hù)設(shè)計(jì)

對(duì)于太陽電池陣低軌靜電放電,“三交結(jié)區(qū)理論”認(rèn)為:空間等離子體對(duì)玻璃蓋片和金屬互連片進(jìn)行充電,造成電勢差從而產(chǎn)生電場導(dǎo)致電子發(fā)射,在絕緣體、導(dǎo)體和等離子體三者交結(jié)區(qū)造成“一次放電”。通?！耙淮畏烹姟背掷m(xù)時(shí)間極短,對(duì)太陽電池陣造成的損傷較小,而誘發(fā)的“二次放電”是導(dǎo)致太陽電池陣局部失效原因,“二次放電”失效機(jī)理分析如下:微秒級(jí)“一次放電”導(dǎo)致玻璃蓋片側(cè)面吸附的氣體脫離形成薄氣體層,并出現(xiàn)高濃度等離子體;當(dāng)電池串之間電勢差高于閥值電壓時(shí),太陽電池陣高電位和低電位通過高濃度等離子體形成電流通路,造成毫秒級(jí)“二次放電”,其能量遠(yuǎn)高于“一次放電”;該通路能量能夠使太陽電池與基板之間材料發(fā)生熱解,聚酰亞胺膜熱解炭化形成低阻通路,太陽電池電流通過此低阻通路形成閉環(huán)回路,導(dǎo)致太陽電池陣局部失效[5]。

為了提高太陽電池陣在LEO等離子體環(huán)境下的可靠性,防護(hù)措施以抑制二次放電為主,擬采取的防護(hù)措施如下。

(1)寬間隙防護(hù)。在進(jìn)行太陽電池布片設(shè)計(jì)時(shí),相鄰太陽電池電路之間或高電壓差輸出端之間保留了適當(dāng)?shù)膶掗g隙,增加二次放電等離子體通道距離,以減小二次放電的概率。這種方法會(huì)犧牲一定的太陽電池布片面積,但工程實(shí)現(xiàn)性相對(duì)容易。

(2)S型太陽電池串布局。通過S型太陽電池串的走線方式,將電池串間的電勢差限制在閾值以內(nèi),減小相鄰電池串之間的電勢差,降低發(fā)生二次放電的風(fēng)險(xiǎn)。這種方法安全可靠,但是會(huì)顯著增加設(shè)計(jì)及工藝的復(fù)雜性。

(3)接地設(shè)計(jì)。靜電放電發(fā)生時(shí)的電壓通?？梢赃_(dá)到上千伏,有可能和衛(wèi)星的地之間產(chǎn)生強(qiáng)電流,所以,應(yīng)給太陽電池陣上設(shè)計(jì)良好的接地系統(tǒng),為發(fā)生的靜電放電提供電流泄放通道,防止放電損壞太陽電池陣。

3．3 電纜扭轉(zhuǎn)可靠性設(shè)計(jì)

衛(wèi)星在軌運(yùn)行期間每天運(yùn)行約14圈,正常情況下,太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)長期維持在＋31．5°或－31．5°;最惡劣工況下,太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)每圈進(jìn)行一次＋31．5°(－31．5°)擺動(dòng)到0°再擺回到＋31．5°(－31．5°)的擺動(dòng)過程。因此在最惡劣工況下太陽電池陣至星內(nèi)的連接電纜需要隨太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行63°擺動(dòng)。太陽電池陣連接電纜負(fù)責(zé)整星能源傳輸,一旦發(fā)生損壞將影響到整星運(yùn)行安全,因此連接電纜的特性要求包括:①能夠滿足衛(wèi)星功率和信號(hào)傳輸要求;②電纜柔韌性高,能夠承受頻繁扭轉(zhuǎn),且性能穩(wěn)定;③能夠在衛(wèi)星運(yùn)行期間承受艙外空間環(huán)境,且性能穩(wěn)定。鑒于上述特性,電纜導(dǎo)線選用了柔軟性好的瑞侃公司82/0822-20導(dǎo)線,該導(dǎo)線采用鍍銀銅導(dǎo)體,額定電流13 A,連續(xù)工作額定溫度為:－65℃～＋150℃;電壓額定值600 V;抗輻照測試經(jīng)劑量5×108rad輻照試驗(yàn)后,能經(jīng)受交流電壓不擊穿,該導(dǎo)線廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外航天器,能夠適應(yīng)LEO軌道空間環(huán)境和使用要求。

3．4 布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

衛(wèi)星表面單元模型根據(jù)Pro/E模型創(chuàng)建,初始狀態(tài)的太陽電池陣平面平行于XOZ面。分析工況包含衛(wèi)星太陽電池陣在軌各個(gè)典型工況,見表1。衛(wèi)星運(yùn)行一個(gè)軌道周期的平均遮擋率見表2。

表1 太陽電池陣分析工況Table 1 Analysis condition of solar cell array

表2 一個(gè)軌道周期的太陽電池陣平均遮擋率Table 2 Average occlusion rate of solar cell array during one orbit

由表2可知,在一年之中夏至?xí)r太陽電池陣遮擋最嚴(yán)重;考慮到衛(wèi)星右側(cè)視31．5°和左側(cè)視31．5°是衛(wèi)星典型飛行姿態(tài),因此著重根據(jù)工況2和工況14進(jìn)行布局優(yōu)化設(shè)計(jì),措施如下。

(1)遮擋布局設(shè)計(jì)。根據(jù)仿真結(jié)果,對(duì)太陽電池串布局方向進(jìn)行調(diào)整,使太陽電池串盡量垂直于遮擋投影的移動(dòng)方向,使遮擋影響范圍盡量減小;如無法避開,提高遮擋區(qū)域太陽電池串聯(lián)片數(shù),避免單片被遮擋時(shí)整串太陽電池?zé)o法輸出的情況。

(2)高低壓太陽陣布局設(shè)計(jì)。低壓太陽陣為平臺(tái)供電,考慮到平臺(tái)設(shè)備的關(guān)鍵性,將低壓太陽陣布置在不易受遮擋影響的±X太陽陣外板區(qū)域。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4．1 靜電放電試驗(yàn)

針對(duì)衛(wèi)星高壓太陽電池陣靜電放電發(fā)生機(jī)理、防護(hù)方法進(jìn)行靜電放電驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)裝置見圖3,對(duì)太陽電池串加偏置電壓,并逐步升高電壓直到誘發(fā)放電,記錄誘發(fā)靜電放電閾值,并觀察一次放電和二次放電對(duì)太陽電池?fù)p傷。

根據(jù)上述試驗(yàn)方法,對(duì)三結(jié)砷化鎵太陽電池片755 km軌道高度上的靜電放電試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了匯總,見表3,試驗(yàn)還驗(yàn)證了不同寬間隙防護(hù),可以提高太陽電池陣的二次放電閾值,經(jīng)過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析認(rèn)為,寬間隙防護(hù)是高壓太陽電池陣可采用的防護(hù)手段。

表3 太陽電池片ESD試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 3 Solar cell ESD test data

針對(duì)衛(wèi)星高壓太陽電池陣工作原理,列出太陽電池陣各種模式下二次放電的發(fā)生情況及影響分析如表4所示,結(jié)果表明現(xiàn)有設(shè)計(jì)有效,能夠有效進(jìn)行靜電防護(hù)。

表4 太陽電池片二次放電的發(fā)生情況及影響分析Table 4 Occurrence and analysis of secondary ESD of solar cell

4．2 電纜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)

電纜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)按如下順序開展試驗(yàn):電纜隨太陽翼進(jìn)行4年在軌壽命試驗(yàn)、電性能測試、4～8年在軌壽命試驗(yàn)、電性能測試。試驗(yàn)過程中主要監(jiān)測真空度及電纜溫度,各階段循環(huán)次數(shù)與太陽翼轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一致。全部試驗(yàn)完成及試驗(yàn)后測試完畢后,對(duì)電纜外觀及性能復(fù)測(見圖4)。

根據(jù)記錄的溫度數(shù)據(jù),測試電纜溫度隨環(huán)境溫度發(fā)生變化,變化曲線見圖5。

電纜隨太陽翼驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)經(jīng)過了120個(gè)高低溫循環(huán)工況,高溫情況下真空罐提供的背景熱流為800 W/m2,高于在軌實(shí)際情況,另外,試驗(yàn)過程未考慮在軌的真實(shí)空間外熱流,相比于在軌環(huán)境,試驗(yàn)?zāi)M環(huán)境更惡劣情況。從圖5可知:當(dāng)真空罐內(nèi)環(huán)境溫度為－38℃左右時(shí)電纜的最低溫度為4℃,當(dāng)溫度為＋62℃左右時(shí)電纜的最高溫度為114℃。在上述環(huán)境下,壽命試驗(yàn)電纜扭轉(zhuǎn)共完成40 880次,是實(shí)際次數(shù)的6倍。試驗(yàn)后電纜外觀良好,經(jīng)X光檢測未發(fā)現(xiàn)損傷,電纜耐壓測試結(jié)果滿足要求,試驗(yàn)前后電纜性能測試正常,數(shù)據(jù)一致性良好,表明太陽電池陣傳輸電纜能夠滿足在軌扭轉(zhuǎn)使用要求。

4．3 遮擋分析和在軌驗(yàn)證

衛(wèi)星工況2遮擋情況見圖6所示,連接板和內(nèi)板各被遮擋3串太陽電池,中板和外板無遮擋,對(duì)應(yīng)平臺(tái)低壓太陽電池陣無遮擋功率損失,載荷高壓太陽電池陣遮擋功率損失1．8%。衛(wèi)星工況14時(shí)遮擋情況見圖7所示,連接板被遮擋23串太陽電池,內(nèi)板被遮擋28串太陽電池,中板被遮擋11串太陽電池,外板被遮擋3串太陽電池,對(duì)應(yīng)平臺(tái)低壓太陽電池陣遮擋功率損失1．2%,載荷高壓太陽電池陣遮擋功率損失18．7%。根據(jù)上述分析可知,平臺(tái)太陽陣功率基本無遮擋損失,載荷太陽陣由于遮擋面積不規(guī)則帶來布局難度較大,遮擋功率損失相比遮擋率略高,在可接受范圍內(nèi),表明太陽電池陣優(yōu)化布局設(shè)計(jì)有效。

夏至?xí)r太陽電池陣一軌之內(nèi)輸出電流變化趨勢如圖8所示,通過對(duì)太陽電池陣在軌輸出電流的變化幅值分析可知:

(1)＋X側(cè)太陽陣無遮擋,與分析一致;

(2)±X側(cè)平臺(tái)太陽陣電流幅值和變化趨勢一致,表明無遮擋,與分析一致;

(3)－X側(cè)載荷太陽陣在工況14時(shí)電流下降顯著,幅值約16%,與遮擋率分析值18．7%一致;

(4)－X側(cè)載荷太陽陣在工況2時(shí)電流下降不明顯,幅值約1%,與遮擋率分析值1．2%一致。

5 結(jié)束語

本文完成了LEO靜電放電對(duì)高壓太陽電池陣影響分析、衛(wèi)星姿態(tài)機(jī)動(dòng)下大型SAR天線遮擋影響分析和電纜扭轉(zhuǎn)對(duì)傳輸性能影響分析研究,基于GF-3衛(wèi)星高壓大功率需求、多模式姿態(tài)機(jī)動(dòng)、大型展開桁架遮擋、長壽命的任務(wù)特點(diǎn),開展太陽電池陣任務(wù)分析,完成了適用于復(fù)雜遮擋情況下高壓母線電源系統(tǒng)的太陽電池陣設(shè)計(jì),并完成地面試驗(yàn)和在軌飛行驗(yàn)證。結(jié)果表明:太陽電池陣工作狀態(tài)良好,在軌性能優(yōu)于設(shè)計(jì)指標(biāo),驗(yàn)證了太陽電池陣設(shè)計(jì)和分析的正確性,可以為我國后續(xù)大功率SAR衛(wèi)星太陽電池陣設(shè)計(jì)提供參考。

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Design and Verification of Solar Cell Array for GF-3 Satellite

ZHAO Changjiang LI Xiaofei CHEN Qi LIU Jing QIAO Ming LIU Yanli
(Beijing Institute of Spacecraft System Engineering,Beijing 100094,China)

Through the analysis of GF-3 satellite SAR payload multimodal imaging mission planning,large-scale expansion of truss configuration design,the characteristics of double main bus power supply design,the LEO electrostatic discharge effect on high voltage solar cell array design,and imaging satellite on the left side swing and the right side swing under satellite SAR antenna large shade and power cable twist for 8 years are indentified．The paper proposes a suitable for double main bus power supply system under the complex condition of the solar cell array design,completes the design of solar cell array,the occlusion simulation analysis,electrostatic discharge test,the cable twisting test and on-orbit data analysis,validates the reasonability of the solar cell array design,and provides the reference for the following SAR satellites solar cell array design．

SAR satellite;occlusion analysis;twisting test;on-orbit verification

V442

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2017.06.018

2017-10-20;

2017-11-21

國家重大科技專項(xiàng)工程

趙長江,男,高級(jí)工程師,從事航天器電源系統(tǒng)研究工作。Email:zcj97＠sohu．com。

(編輯:李多)