空間碎片超高速撞擊下太陽電池陣伏安特性*

鄭建東 周江 皮曉麗 鄒晨 李一帆 徐坤博 龔自正 胡幗杰

1)(中國空間技術(shù)研究院,通信與導(dǎo)航衛(wèi)星總體部,北京 100094)

2)(北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所,可靠性與環(huán)境工程技術(shù)國防科技重點試驗室,北京 100094)

太陽電池陣是航天器的電力來源,時常受到微流星體和空間碎片撞擊而損傷,導(dǎo)致太陽電池陣輸出功率下降.采用二級輕氣炮對航天器太陽電池陣開展了空間碎片超高速撞擊地面模擬試驗,研究了不同撞擊速度、彈丸直徑、撞擊點位置工況下太陽電池陣伏安特性的衰減規(guī)律.共進(jìn)行了12 次試驗,其中5 次因彈托撞擊試件而無效,7 次試驗數(shù)據(jù)有效.試驗結(jié)果顯示,彈丸的直徑和撞擊速度、撞擊位置三者均對伏安特性影響較大,地面模擬試驗與在軌飛行試驗產(chǎn)生的損傷形貌符合良好.通過數(shù)據(jù)分析了電池陣失效面積與剝落區(qū)面積、穿孔面積、彈丸動能、撞擊位置四者之間的關(guān)系.研究發(fā)現(xiàn),電池陣失效面積與剝落區(qū)面積兩者之比介于7—37,電池陣失效面積與穿孔面積兩者之比介于50—150.撞擊在電池片中心區(qū)域,失效面積明顯高于撞擊在電池片邊緣或者連接處.電池陣失效面積 Δ SSA 與動能E(E =πρd3v2/12)的立方根比較吻合.為了建立功率損失面積與彈丸直徑和撞擊速度的準(zhǔn)確方程,首先假設(shè)三者存在冪指數(shù)關(guān)系,再通過數(shù)據(jù)擬合方法求解待定系數(shù),最終建立了適用于國內(nèi)太陽電池陣的功率損失 Δ Pmax 方程和 Δ SSA 方程.當(dāng)撞擊在電池片中心區(qū)域ΔP max=0.047dv2/3 時,Δ SSA=260dv2/3.當(dāng)撞擊在電池片邊緣或者連接處ΔP max=0.033dv2/3 時,Δ SSA=180dv2/3 .方程預(yù)測偏差在±13.3%以內(nèi),平均偏差為7.6%.該方程可用于描述在0°撞擊角條件下電池陣功率損失或失效面積兩者與彈丸的直徑、撞擊速度、撞擊位置的函數(shù)關(guān)系.本文的研究方法對我國航天器太陽帆板超高速撞擊環(huán)境下性能退化評估有借鑒意義,所建立的功率損失方程和失效面積方程,能夠預(yù)測空間碎片造成的太陽電池陣的功率下降規(guī)律和失效面積規(guī)律,對我國航天工程實踐具有重要的工程應(yīng)用價值.

1 引 言

太陽電池陣是航天器的電力來源,時常受到微流星體和空間碎片撞擊而損傷.美國哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽電池陣在軌飛行試驗統(tǒng)計結(jié)果顯示在8 年內(nèi)空間碎片穿孔次數(shù)多達(dá)174 次[1-3].這種撞擊導(dǎo)致太陽電池陣性能退化,輸出功率下降.

國外開展了大量微流星體和空間碎片超高速撞擊太陽電池陣的損傷特性研究[4-8].美國馬歇爾空間飛行中心二級輕氣炮超高速撞擊試驗顯示,1.7%損傷面積造成了35%的輸出功率損失[9].NASA的Burt 和Christiansen[10,11]使用直徑0.4至0.8 mm 鋁彈丸對哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽電池單元組件開展了5 次超高速撞擊試驗,研究結(jié)果顯示穿孔直徑與彈丸動能立方根呈線性關(guān)系.英國Herbert[12]采用二級輕氣炮研究了太陽電池陣穿孔和剝落直徑等損傷特性.德國Stadermnn 等[13]研究了太陽電池陣超高速損傷特性.日本學(xué)者使用二級輕氣炮研究了空間碎片超高速撞擊太陽電池陣產(chǎn)生的等離子體現(xiàn)象[14,15].

中國科學(xué)院空間中心韓建偉團(tuán)隊[16,17]利用等離子體驅(qū)動裝置研究了空間碎片超高速撞擊太陽能電池陣產(chǎn)生等離子體的放電特性.沈陽理工大學(xué)唐恩凌團(tuán)隊[18,19]利用二級輕氣炮研究了空間碎片超高速撞擊太陽能電池陣產(chǎn)生等離子體放電特性.中國空間技術(shù)研究院姜東升等[20]、張書鋒等[21]開展了太陽電池陣超高速撞擊放電效應(yīng).

目前,我國在太陽電池陣空間碎片超高速撞擊研究方面比較薄弱,尤其是尚未掌握太陽電池陣在超高速撞擊環(huán)境下的伏安特性和輸出功率損失,尚未開發(fā)出適用于國內(nèi)太陽電池陣的功率損失方程和失效面積方程,這嚴(yán)重制約了我國航天器在微流星體和空間碎片撞擊下的性能退化評估及壽命預(yù)示.本文采用二級輕氣炮進(jìn)行試驗,開展超高速撞擊環(huán)境下太陽電池陣伏安特性進(jìn)行研究,在國內(nèi)首次開發(fā)了太陽電池陣的功率損失方程、失效面積方程,為我國航天器開展空間碎片環(huán)境造成的太陽電池陣性能退化評估奠定了基礎(chǔ).

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗設(shè)備及能力

采用二級輕氣炮開展試驗,彈丸形狀為球形,直徑為3—5 mm,速度范圍為3—7 km/s.

2.2 試件制作

航天器太陽電池陣組件試件主要由碳纖維鋁蜂窩基板、太陽電池片、玻璃蓋片等組成,本文試件制作中,所使用的所有材料、電池片之間的電路連接形式、工藝與流程,均與航天器正樣產(chǎn)品完全一致[6,19].參考航天器工程實際情況,將6 塊太陽電池片組合為一個太陽電池片單元,電池片間距均為1 mm,碳纖維蜂窩板厚度25 mm.其中試件1—10 太陽電池片尺寸均為30.5 mm × 54.0mm,試件11和12太陽電池片尺寸為35.0mm×54.0 mm.太陽電池陣組件試件如圖1 所示,太陽電池片尺寸均為30.5 mm × 54.0 mm.

圖1 太陽電池陣組件試件Fig.1.Experimental speicmen:Solar array cells and carbon fiber honeycomb plate.

2.3 試驗參數(shù)

試驗均采用球形鋁彈丸(2A12,g/cm3),彈丸直徑d選取(3.03±0.01) mm、(4.03±0.01) mm和5.0 mm 三種規(guī)格,撞擊速度v在3—7 km/s,撞擊角度均為0°(正撞擊).撞擊點位置選取分為單片電池片中心、單片電池片角落和兩片連接處三種,分別記為類型A、類型B 和類型C.撞擊點位置選取、彈丸速度與直徑的試驗參數(shù)如圖2.

圖2 試驗參數(shù)Fig.2.Test parameters.

3 試驗結(jié)果

3.1 試驗數(shù)據(jù)

試驗共進(jìn)行了12 次,其中有效試驗7 次;因包裹彈丸的彈托撞擊試件導(dǎo)致無效試驗5 次.彈丸直徑范圍為3—5 mm.撞擊角度均為0°(正撞擊).撞擊速度范圍為3—7 km/s,7 次有效試驗中撞擊點A,B,C 三種位置各占4,1,2 次,試驗結(jié)果如表1 所示.

試驗結(jié)果如表1所列.其中,d為彈丸直徑(mm),v為彈丸速度(km/s),Sh為穿孔面積,Sc為剝落區(qū)面積試驗前后最大輸出功率分別為,試驗前后最大輸出功率之差,為功率損失 ΔPmax(W).由于電池陣 ΔPmax與失效面積 ΔSSA(mm2)呈正比,利用功率損失,可以得出 ΔSSA(mm2).

表1 試驗結(jié)果Table 1. Test result.

根據(jù)伏安特性測量數(shù)據(jù),太陽電池片尺寸為30.5 mm × 54.0 mm 構(gòu)成的試件1—10 太陽電池陣試驗前最大輸出功率介于1.79—1.82 W,由太陽電池片尺寸為35.0 mm × 54.0 mm 構(gòu)成的試件11 和12 試驗前最大輸出功率分別為2.12 W 和2.10 W.太陽電池片為加工精度較高的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,因此試驗前各試件伏安特性差別較小.試件No.1 和No.12 試驗前伏安特性曲線,如圖3所示,限于篇幅,未給出其他試件試驗前伏安特性.

圖3 試件(a) No.1 和(b) No.12 試驗前的伏安特性曲線Fig.3.Volt-ampere characteristic curve of(a) No.1 and(b) No.12 solar arrays before test.

鋁彈丸超高速撞擊太陽電池陣,太陽電池片的損傷可大致分為3 個區(qū)域:中心穿孔區(qū)、玻璃蓋片貝殼狀剝落區(qū)、玻璃蓋片裂紋擴(kuò)展區(qū),如圖4—10所示,給出了試驗后損傷形貌、伏安特性曲線.利用顯微鏡放大20 倍測量試件中心穿孔區(qū)域面積.剝落區(qū)的面積通過人工劃定區(qū)域測量得到,某些剝落區(qū)邊界比較模糊,無法準(zhǔn)確界定,只能人為界定,如圖11 所示.

圖4 試件No.1 試驗后的(a)損傷形貌和(b)伏安特性曲線Fig.4.(a) Damage morphology and(b) volt-ampere characteristic curve of No.1 solar arrays.

圖11 (a)穿孔區(qū)域與(b)剝落區(qū)域邊界(No.1)Fig.11.Measured parameters of(a) perforation hole area and(b) conchoidal area(No.1).

3.2 損傷形貌及伏安特性

圖12 為2002 年回收的哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽電池陣空間碎片撞擊后形成的損傷形貌[1,6],撞擊點位置在兩片電池片連接處,類似撞擊位置損傷形貌見圖9(No.11)和圖10(No.12),可以看出,地面模擬試驗?zāi)軌蜉^好地反映太陽電池陣在軌遭受空間碎片撞擊時形成的損傷形貌.

圖5 試件No.5 試驗后的(a)損傷形貌和(b)伏安特性曲線Fig.5.(a) Damage morphology and(b) volt-ampere characteristic curve of No.5 solar arrays.

圖6 試件No.6 試驗后的(a)損傷形貌和(b)伏安特性曲線Fig.6.(a) Damage morphology and(b) volt-ampere characteristic curve of No.6 solar arrays.

圖7 試件No.7 試驗后的(a)損傷形貌和(b)伏安特性曲線Fig.7.(a) Damage morphology and(b) volt-ampere characteristic curve of No.7 solar arrays.

圖8 試件No.8 試驗后的(a)損傷形貌和(b)伏安特性曲線(因紅色圓圈內(nèi)受到彈托撞擊較大,損失一定功率,去除彈托影響,最大輸出功率由1.37 W,修正為1.39 W)Fig.8.(a) Damage morphology and(b) volt-ampere characteristic curve of No.8 solar arrays(The maximum output power is revised from 1.37 W to 1.39 W to reduce the effect from sabot impact,since the power in the red cycle has lost caused by sabot impact).

圖9 試件No.11 試驗后的(a)損傷形貌和(b)伏安特性曲線Fig.9.(a) Damage morphology and(b) volt-ampere characteristic curve of No.11 solar arrays.

圖10 試件No.12 試驗后的(a)損傷形貌和(b)伏安特性曲線Fig.10.(a) Damage morphology and(b) volt-ampere characteristic curve of No.12 solar arrays.

圖12 哈勃望遠(yuǎn)鏡太陽電池陣電池面超高速撞擊穿孔形貌[1,6]Fig.12.A front-back perforation of the solar arrays exposed on the Hubble space telescope caused by orbital debris impact[1,6].

4 電池陣失效面積與剝落面積、穿孔面積、彈丸動能三者的關(guān)系

太陽電池陣的功率損失 ΔPmax與彈丸直徑d、彈丸撞擊速度v、撞擊點位置三者均有關(guān).由于試件及試驗費用昂貴,試驗次數(shù)有限,無法單獨分析三者與功率損失的關(guān)系.

電池陣功率損失ΔPmax與失效面積ΔSSA(mm2)呈正比,利用功率損失,可以得出每個太陽電池陣的失效面積 ΔSSA(mm2).功率損失來自于兩部分,一部分是功能完全喪失的穿孔區(qū)域的功率損失,利用顯微鏡可以準(zhǔn)確測量;另一部分是性能下降但未完全消失的剝落區(qū)及裂紋區(qū)域的功率損失,這兩個區(qū)域的性能退化無法單獨測量.

下面,分析電池陣失效面積與剝落區(qū)面積、穿孔面積、彈丸動能的關(guān)系.

4.1 電池陣失效面積與剝落區(qū)面積的關(guān)系

電池陣失效面積ΔSSA與剝落區(qū)面積Sc的關(guān)系,如圖13所示,紅色圓形數(shù)據(jù)點代表撞擊點位置在單片電池片中心,傾斜的藍(lán)色正方形代表撞擊點位置在單片電池片角落,平放的藍(lán)色正方形代表撞擊點位置在兩片連接處.可以看出:

圖13 電池陣失效面積ΔSSA與剝落區(qū)面積Sc的關(guān)系Fig.13.Relationship between failure area of solar array ΔSSA and conchoidal area Sc .

1)電池陣失效面積與剝落面積關(guān)系不大,兩者非常分散.電池陣失效面積 ΔSSA下限為ΔSSA=7Sc,上限為 ΔSSA=37Sc,即兩者之比介于7—37之間.

2)撞擊點位置對電池陣失效面積影響非常大.總體上看,撞擊在電池片中心區(qū)域,失效面積高于撞擊在電池片邊緣或者連接處.No.1,No.5,No.6,No.7 斜率,整體高于No.8,No.11,No.12的斜率.

3)撞擊點位置在兩片連接處,失效面積與剝落面積之比差別較大,如No.11 與No.12 兩者剝落面積分別為261.87 mm2和129.28 mm2,兩者之比為2.03,但是失效面積分別為1872 mm2和1998 mm2,可以看出No.11 剝落面積比No.12高一倍多,但是前者失效面積卻略低于后者.

4.2 電池陣失效面積與穿孔面積的關(guān)系

根據(jù)文獻(xiàn)[22]研究結(jié)果,穿孔直徑Dh與彈丸直徑d和撞擊速度v的關(guān)系:Dh=1.78d4/3v1/3.下面分析電池陣失效面積 ΔSSA與穿孔面積Sh的關(guān)系,如圖14 所示,可以看出:

圖14 電池陣失效面積ΔSSA與穿孔面積Sh的關(guān)系Fig.14.Relationship between failure area of solar array ΔSSA and hole area Sh .

1)電池陣失效面積與穿孔面積存在一定關(guān)系,但是兩者仍比較分散.

2)撞擊點位置對電池陣失效面積影響較大.總體上看,撞擊在電池片中心區(qū)域,失效面積高于撞擊在電池片邊緣或者連接處.當(dāng)撞擊在電池片中心區(qū)域,電池陣失效面積ΔSSA下限為ΔSSA=105Sh,上限為ΔSSA=150Sh.當(dāng)撞擊在電池片邊緣或者連接處,電池陣失效面積ΔSSA下限為ΔSSA=50Sh,上限為 ΔSSA=80Sh.

3)撞擊點位置在兩片連接處,失效面積與穿孔面積之比差別較大,如No.11 與No.12 兩者穿孔面積分別為24.49 mm2和37.35 mm2,但是失效面積分別為1872 mm2和1998 mm2,可以看出No.11穿孔面積比No.12 少50%,但是兩者失效面積基本相等.

根據(jù)上述電池陣失效面積與剝落區(qū)面積、穿孔面積的分析,可以看出,撞擊點位置對電池陣失效面積 ΔSSA影響較大.將試驗數(shù)據(jù)劃分為兩類,一類是撞擊在電池片中心區(qū)域,另外一類是撞擊在電池片邊緣或者連接處.

4.3 電池陣失效面積與彈丸動能的關(guān)系

下面分析電池陣失效面積 ΔSSA與動能E=πρd3v2/12的關(guān)系,如圖15 所示,可以看出,電池陣失效面積 ΔSSA與動能E(E=πρd3v2/12)的立方根比較吻合,即 ΔSSA∝E1/3,亦即 ΔSSA∝dv2/3,其中:

圖15 電池陣失效面積ΔSSA 與彈 丸動能E的關(guān)系Fig.15.Relationship between failure area of solar array ΔSSA and kinetic energy of projectile E.

當(dāng)撞擊在電池片中心區(qū)域,電池陣失效面積與彈丸動能的關(guān)系式為

當(dāng)撞擊在電池片邊緣或者連接處,電池陣失效面積與彈丸動能的關(guān)系式為

5 功率損失方程、失效面積方程

5.1 功率損失方程

5.1.1 方程形式

太陽電池片功率損失面積 ΔPmax與失效面積ΔSSA呈正比,兩者主要與撞擊彈丸直徑和速度有關(guān),同時也與彈丸密度和形狀、太陽電池片結(jié)構(gòu)和材料特性、蜂窩板結(jié)構(gòu)和材料、太陽電池片與蜂窩板粘貼工藝等眾多因素相關(guān).在本文試驗中固定了彈丸材料、形狀和電池片類型,相應(yīng)的參數(shù)作為常數(shù)處理.結(jié)合前人研究成果、本文試驗結(jié)果和分析,建立如下冪指數(shù)形式的關(guān)系式,用于描述功率損失方程:

其中,K為待定系數(shù);d為彈丸直徑(mm);v為彈丸速度(km/s);x,y為彈丸參數(shù)的待定因子.

5.1.2 方程待定系數(shù)求解

通過數(shù)據(jù)擬合,求得x=1,y=2/3,當(dāng)撞擊在電池片中心區(qū)域時K=0.047,當(dāng)撞擊在電池片邊緣或者連接處時K=0.033.即電池陣功率損失方程 ΔPmax如下:

當(dāng)撞擊在電池片中心區(qū)域,電池陣功率損失方程為

當(dāng)撞擊在電池片邊緣或者連接處,電池陣功率損失方程為

該方程適用于鋁彈丸(型號2A12,密度ρ=2.78g/cm3),撞擊角度為0°(正撞擊),根據(jù)功率損失方程繪制的曲線與試驗數(shù)據(jù)的關(guān)系見圖16.在4.3 節(jié)中已得到電池陣失效面積 ΔSSA∝E1/3,即 ΔSSA∝dv2/3.由本節(jié)數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn),功率損失面積與彈丸直徑呈線性關(guān)系,與撞擊速度的2/3 次方呈線性關(guān)系,即 ΔPmax∝dv2/3.由于試驗數(shù)據(jù)有限,為了提高方程精度以及電池陣性能退化評估的精度,仍有待于進(jìn)一步研究.

圖16 電池陣功率損失面積與試驗數(shù)據(jù)的關(guān)系Fig.16.Relationship between power loss area of solar array and test data.

5.1.3 方程精度

本文建立的功率損失方程的精度,如表2 所列.從表2 可以看出,最大誤差范圍介于—13.2%—+13.3%,預(yù)測偏差在±13.3%以內(nèi),平均偏差為7.6%,具有較高的預(yù)測精度.

表2 功率損失方程的精度Table 2. Accuracy of power loss equation.

5.2 失效面積方程

太陽電池片失效面積與功率損失面積呈正比,根據(jù)5.1 節(jié)功率損失方程可以求得電池陣失效方程.

當(dāng)撞擊在電池片中心區(qū)域,電池陣失效面積方程為

當(dāng)撞擊在電池片邊緣或者連接處,電池陣失效面積方程為

該方程適用于鋁彈丸(型號2A12,密度ρ=2.78g/cm3),撞擊角度為0°(正撞擊),根據(jù)失效面積方程繪制的曲線與試驗數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖17 所示,該方程精度與功率損失方程相同.

圖17 電池陣失效面積 Δ SSA 與試驗數(shù)據(jù)的關(guān)系Fig.17.Relationship between failure area of solar array ΔSSA and test data.

6 結(jié) 論

空間碎片對在軌航天器的威脅是國際空間安全關(guān)注的重點之一.太陽電池陣是航天器的電力來源,由于面積巨大受到微流星體和空間碎片撞擊難以避免.本文采用二級輕氣炮進(jìn)行試驗,對太陽電池陣組件在超高速撞擊環(huán)境下的伏安特性進(jìn)行研究,研究了不同撞擊速度、彈丸直徑、撞擊點位置工況下太陽電池陣伏安特性的衰減規(guī)律.通過數(shù)據(jù)分析了電池陣失效面積與剝落區(qū)面積、穿孔面積、彈丸動能、撞擊位置四者之間的關(guān)系.在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,建立了撞擊速度在3—7 km/s正撞擊條件下球形鋁彈丸撞擊太陽電池陣時描述太陽電池陣功率損失的方程,該方程能夠用于描述我國用于航天器的太陽電池陣的超高速撞擊損傷特征.由于試件及試驗費用昂貴,試驗次數(shù)有限(彈丸直徑介于3.0—5.0 mm),方程精度仍有待于進(jìn)一步提高.此外,本文尚未開展小尺寸彈丸、不同密度彈丸和撞擊傾角的空間碎片超高速撞擊試驗研究.

在國內(nèi)首次開發(fā)了適用于國內(nèi)太陽電池陣的失效面積方程、功率損失方程,用于描述電池陣功率損失與彈丸的直徑、撞擊速度、撞擊位置的函數(shù)關(guān)系,本文研究能夠預(yù)測空間碎片造成太陽電池陣功率下降的規(guī)律,為我國航天領(lǐng)域開展空間碎片環(huán)境造成的太陽電池陣性能退化評估奠定了基礎(chǔ),對我國航天工程實踐具有重要的工程應(yīng)用價值.